JPWO2019150706A1 - バッテリシステムのショート電流遮断方法及びバッテリシステム、バッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置 - Google Patents

バッテリシステムのショート電流遮断方法及びバッテリシステム、バッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置 Download PDF

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Abstract

内部ショートして熱暴走した電池と並列に接続している並列電池の熱暴走の誘発を阻止して高い安全性を確保するために、バッテリシステムのショート電流遮断方法は、複数の角形電池セル（１）を積層し、かつ並列接続のバスバー（５Ｘ）で並列に接続して電池ブロックとし、角形電池セル（１）の封口板（１２）は、内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性のある板材とし、角形電池セル（１）が内部ショートして内圧が上昇して変形すると、この封口板（１２）の変形を検出して、変形量が設定値を越えると、内部ショートした電池と並列接続している電池のショート電流を遮断する。

Description

本発明は、複数の電池を備えるバッテリシステムに関し、とくに内部ショートによる熱暴走の誘発を防止して高い安全性を確保するバッテリシステムのショート電流遮断方法及びバッテリシステム、バッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置に関する。
複数の電池セルを積層してなるバッテリシステムが種々の用途に使用されている。このバッテリシステムは、隣接する複数の電池セルを並列に接続することで出力電流を大きくでき、また並列接続された電池セル同士を直列に接続することで出力電力を大きくできる。このため、このバッテリシステムは、大きな出力電力を必要とする用途に好適に採用されている。
このようなバッテリシステムにおいて、リチウムイオン二次電池などの高性能な二次電池を使用する場合、内部ショートすると極めて大きな電流が流れて電池セルが熱暴走することがある。熱暴走すると電池温度が急激に上昇して４００℃以上と極めて高温となることもある。とくに、複数の電池セルを積層してなるバッテリシステムは、隣接する電池セルに熱暴走が誘発されると発生する熱エネルギーが急激に増加して安全性を阻害する原因となる。この弊害を防止するために、大電流が流れると内圧が上昇して電流を遮断する機構、すなわち電流遮断機構（Current Interrupt Device：以下「ＣＩＤ」という。）を内蔵する電池が開発されている。（特許文献１参照）
特開２０１０−１５７４５１号公報
ＣＩＤは、電池セルの内部で内部電極と電極端子との間に配置される。このＣＩＤは、正常時にはオン状態にあって内部電極と電極端子とを電気的に接続しているが、内部ショートなどで大電流が流れて内圧が異常に上昇するとオフ状態に切り換えられて電流を遮断する。ただ、ＣＩＤは、内部ショートして大電流が流れる状態で内圧が上昇すると電流を遮断するが、内部温度が異常に高くなると内部の絶縁材が溶融して正常な動作が維持できなくなって電流を遮断できなくなる。とくに、隣接する電池セルを並列に接続してなるバッテリシステムにおいては、内部ショートした電池セル（トリガーセルと呼ぶ）と並列に接続している電池セルが、トリガーセルにより外部短絡されると過大なショート電流がトリガーセルに流れてトリガーセルに隣接している電池セルの温度が上昇して熱暴走が誘発されることがある。
本発明は、以上の弊害を防止することを目的として開発されたもので、本発明の大切な目的は、内部ショートして熱暴走した電池セルに隣接する電池セルへの熱暴走の誘発を確実に阻止して高い安全性を確保できる技術を提供することにある。
本発明のある態様のバッテリシステムのショート電流遮断方法は、封口板に正負の電極端子を設けてなる複数の角形電池セルを積層してなる電池ブロックと、前記角形電池セルの電極端子に接続されて、一部又は全体の該角形電池セルを並列に接続してなる並列接続のバスバーとを備えるバッテリシステムのショート電流を遮断する方法である。ショート電流遮断方法は、前記角形電池セルの封口板を、該角形電池セルの異常により内圧が上昇すると変形する可撓性のある板材とし、前記角形電池セルの前記封口板の変形が設定値を越えると並列接続している前記角形電池セルのショート電流を遮断するようにしている。
本発明のある態様のバッテリシステムは、封口板に正負の電極端子を設けてなる複数の角形電池セルを積層してなる電池ブロックと、前記角形電池セルの電極端子に接続されて、一部又は全体の該角形電池セルを並列に接続してなる並列接続のバスバーと、前記並列接続のバスバーを介して並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流を遮断する電流遮断部とを備えている。前記角形電池セルの封口板は、該角形電池セルの内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性を有しており、前記電流遮断部が、前記角形電池セルの内部ショートによる内圧上昇での前記封口板の変形を検出して並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流を遮断する。
さらに、以上の態様の構成要素を備えたバッテリシステムを備える電動車両は、前記バッテリシステムと、該バッテリシステムから電力供給される走行用のモータと、該バッテリシステム及び前記モータを搭載してなる車両本体と、該モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪とを備えている。
さらに、以上の態様の構成要素を備えたバッテリシステムを備える蓄電装置は、前記バッテリシステムと、該バッテリシステムへの充放電を制御する電源コントローラを備え、前記電源コントローラが外部からの電力による前記角形電池セルへの充電を可能とすると共に、該電池セルに対し充電を行うよう制御している。
本発明のバッテリシステムのショート電流遮断方法及びバッテリシステムは、内部ショートして熱暴走した角形電池セルと並列に接続している並列電池への熱暴走の誘発を確実に阻止して高い安全性を確保する。それは、内部ショートして内圧上昇した角形電池セルの封口板の変形を検出し、封口板が設定値よりも大きく変形する状態で、並列電池のショート電流を遮断するからである。
本発明の一実施形態にかかるバッテリシステムの斜視図である。 図１に示すバッテリシステムの並列電池ユニットの分解斜視図である。 いずれかの角形電池セルが内部ショートした状態で並列電池のショート電流を遮断する電流遮断部の原理図である。 絶縁プレートが並列電池のショート電流を遮断する原理図である。 並列電池ユニットの概略斜視図であって、並列電池のショート電流を遮断する状態を示す図である。 図５に示す並列電池ユニットの縦断面図である。 図５に示す並列電池ユニットの横断面図である。 封口板で押し上げられる絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 封口板で押し上げられる絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 封口板で押し上げられる絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 絶縁プレートの他の一例を示す概略断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッドカーにバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 蓄電装置にバッテリシステムを使用する例を示すブロック図である。
まず、本発明の一つの着目点について説明する。複数の電池セルを積層してなるバッテリシステムは、隣接する電池セルを並列に接続して出力電流を大きくしているが、このバッテリシステムにあっては、いずれかの電池セルが内部ショートすると、内部ショートした電池セルと並列に接続している電池セルが、ショートした電池セルで外部短絡されると過大なショート電流が流れて熱暴走することがある。内部ショートした電池セルの内部抵抗と、この電池セルに並列接続している電池セルの内部抵抗が極めて小さいので、内部ショートした電池セルに並列接続している電池セルのショート電流も極めて大きな電流となって、熱暴走を誘発する原因となる。並列接続された電池セルの熱暴走の誘発は、発生する熱エネルギーが極めて大きくなって安全性を阻害する原因となる。
過大電流が流れる状態での電流遮断は、各々の電池セルにヒューズを連結して実現できる。しかしながら、負荷電流が大幅に変動するバッテリシステムにあっては、負荷電流のピーク値でヒューズが溶断すると負荷に電力を供給できなくなるので、内部ショートなどの過大電流では確実にヒューズを溶断して、負荷電流のピーク値では溶断されないように、ヒューズの溶断電流を設定するのが現実的には極めて難しい。異常時の過大電流で確実に溶断されるように溶断電流を設定すると、瞬間的に流れる負荷のピーク電流で溶断されることがあり、反対に負荷のピーク電流で溶断されないように溶断電流を設定すると、異常時の過大電流で溶断できないことがあるからである。また、各々の電池セルと直列にヒューズを接続するバッテリシステムは、ヒューズの電気抵抗によって無駄に電力が消費されるので、ヒューズによる電力損失を無視できず電力の利用効率が低下する弊害も発生する。
以上の通り、複数の電池セルを並列に接続する構成のバッテリシステムにおいては、いずれかの電池セルが熱暴走をすると、この電池セルと並列に接続された電池セルの接続を速やかに遮断して複数の電池の熱暴走の誘発を確実に阻止することが重要となる。とくに、ヒューズやＣＩＤ等の電流遮断素子を使用することなく、確実にショート電流を阻止して高い安全性を確保できる方法及び構成を検討することが重要である。
本発明のある態様のショート電流遮断方法は、以下の方法により特定されてもよい。バッテリシステムのショート電流遮断方法は、封口板１２に正負の電極端子１３を設けてなる複数の角形電池セル１を積層してなる電池ブロック２と、角形電池セル１の電極端子１３に接続されて、一部又は全体の角形電池セル１を並列に接続してなる並列接続のバスバー５Ｘとを備えるバッテリシステムのショート電流を遮断する方法であって、角形電池セル１の封口板１２を、角形電池セル１の異常により内圧が上昇すると変形する可撓性のある板材とし、角形電池セル１の封口板１２の変形が設定値を越えると並列接続している角形電池セル１のショート電流を遮断するようにしている。
上記の方法によれば、角形電池セルの封口板に、内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性のあるプレートを使用し、内部ショートして内圧が上昇すると封口板を変形させてその変形を検出し、封口板が変形すると並列電池のショート電流を遮断する。すなわち、封口板の変形を検出して並列電池のショート電流を遮断するので、ヒューズのように電池と直列に電流を遮断する素子を接続する必要がなく、ヒューズのように無駄な電力を消費することなく、並列電池のショート電流を確実に遮断できる。また、内部ショートした電池は過大電流によって内圧上昇するので、この内圧上昇で変形する封口板の変形でショート電流を遮断することで、並列電池のショート電流を確実に遮断できる特徴も実現する。
ショート電流遮断方法は、角形電池セル１の封口板１２の表面に絶縁プレート７を配置して、この絶縁プレート７の一部を並列接続のバスバー５Ｘと封口板１２との間に配置し、角形電池セル１のショート電流で内圧が上昇して封口板１２が変形して絶縁プレート７が押し上げられると、押し上げられる絶縁プレート７で並列接続のバスバー５Ｘを切断し、あるいは並列接続のバスバー５Ｘと電極端子１３との接続を分離して並列接続している角形電池セル１のショート電流を遮断するようにしてもよい。
本発明のある態様のバッテリシステムは、以下の構成により特定されてもよい。バッテリシステムは、封口板１２に正負の電極端子１３を設けてなる複数の角形電池セル１を積層してなる電池ブロック２と、角形電池セル１の電極端子１３に接続されて、一部又は全体の角形電池セル１を並列に接続してなる並列接続のバスバー５Ｘと、並列接続のバスバー５Ｘを介して並列接続してなる角形電池セル１のショート電流を遮断する電流遮断部６とを備え、角形電池セル１の封口板１２は、角形電池セル１の内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性を有し、電流遮断部６が、角形電池セル１の内部ショートによる内圧上昇での封口板１２の変形を検出して並列接続してなる角形電池セル１のショート電流を遮断する構成としている。
以上の構成によれば、角形電池セルの封口板に、内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性のあるプレートを使用し、内部ショートして内圧が上昇して封口板が変形すると、その変形を電流遮断部が検出して並列電池のショート電流を遮断する。すなわち、封口板の変形を電流遮断部で検出して並列電池のショート電流を遮断するので、ヒューズのように電池と直列に電流を遮断する素子を接続する必要がなく、ヒューズのように無駄な電力を消費することなく、並列電池のショート電流を確実に遮断できる。また、内部ショートした電池セルは過大電流によって内圧上昇するので、この内圧上昇で変形する封口板の変形でショート電流を遮断することで、並列電池のショート電流を確実に遮断できる特徴も実現する。
また、バッテリシステムは、電流遮断部６が、封口板１２の変形が設定値を越えると、並列接続してなる角形電池セル１のショート電流を遮断する遮断部６Ｂを備える構成としてもよい。
さらに、バッテリシステムは、変形検出部６Ａと遮断部６Ｂを、角形電池セル１の封口板１２の表面に配置されて、一部を並列接続のバスバー５Ｘと封口板１２との間に配置してなる絶縁プレート７としてもよい。絶縁プレート７は、一対の並列接続のバスバー５Ｘと封口板１２との間に配置されてなる両側の押圧部２２と、並列接続してなる角形電池セル１の封口板１２の表面に配置されて、押圧部２２を連結してなるプレート部２１とを有し、封口板１２の変形で絶縁プレート７の押圧部２２が並列接続のバスバー５Ｘを押圧する押圧力で、並列接続のバスバー５Ｘが切断され、あるいは並列接続のバスバー５Ｘが電極端子１３から分離されて並列接続してなる角形電池セル１のショート電流が遮断されるように構成してもよい。
並列接続のバスバー５Ｘは、絶縁プレート７の押圧部２２の押圧力で切断される切断部を有する構成としてもよい。また、並列接続のバスバー５Ｘは、絶縁プレート７の押圧部２２に押圧されて電極端子１３から分離する連結強度としてもよい。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法及び構成を例示するものであって、本発明は以下の方法及びものに特定されない。また、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
以下、バッテリシステムの一実施の形態として車両用バッテリシステムに最適な例に基づいて説明する。図１の全体の斜視図に示すバッテリシステム１００は、複数の角形電池セル１を積層してなる電池ブロック２と、電池ブロック２を構成している各々の角形電池セル１の電極端子１３に接続されて、角形電池セル１を並列と直列に接続するバスバー５とを備える。図１のバッテリシステム１００は、角形電池セル１を並列と直列に接続している。バスバー５は、角形電池セル１を並列に接続する並列接続のバスバー５Ｘと、直列に接続する直列接続のバスバー５Ｙとからなる。バッテリシステム１００は、角形電池セル１を並列に接続して出力電流を大きく、直列に接続して出力電圧を高くできる。したがって、バッテリシステム１００は、用途に最適な出力電流と出力電圧となるように、角形電池セル１を並列と直列に接続している。
電池ブロック２は、複数の角形電池セル１を、絶縁性のセパレータ（図示せず）を介して積層している。さらに、電池ブロック２は、積層された複数の角形電池セル１の両側の端面に一対のエンドプレート３を配置し、エンドプレート３をバインドバー４で連結して、複数の角形電池セル１を加圧状態に固定している。
角形電池セル１は、リチウムイオン二次電池などの非水系電解液二次電池である。角形電池セル１をリチウムイオン二次電池とするバッテリシステム１００は、容積と重量に対する充放電容量を大きくできるが、角形電池セル１には、リチウムイオン二次電池に代わって、内部抵抗が小さく大容量、大出力の他の全ての二次電池を使用できる。
角形電池セル１は、図２の分解斜視図に示すように、その厚さを上辺の横幅よりも薄くした金属製の外装缶１１の開口部を封口板１２で密閉している。外装缶１１は金属板を付加絞り加工して、厚みのある矩形状に成形されている。外装缶１１と封口板１２はアルミニウムやアルミニウム合金などの金属板で製作される。封口板１２は、絶縁材（図示せず）を介して外装缶１１の上面開口部を気密に密閉している。さらに、封口板１２は、絶縁材（図示せず）を介して正負の電極端子１３を両端部に固定している。さらにまた、封口板１２は電極端子１３の間に排出弁１４を設けている。排出弁１４は、外装缶１１の内圧が所定値以上に上昇した際に開弁して、内部のガスを放出して、外装缶１１の破裂を防止する。
封口板１２は、角形電池セル１が内部ショート等の異常により内圧が上昇する状態で変形する可撓性のある板材である。封口板１２は、アルミニウム（この明細書においてアルミニウムはアルミニウム合金を含む意味に使用する）等の可撓性のある金属板が使用できる。金属製の封口板１２は、材質と厚さを調整して、内部ショートして内圧が上昇すると変形する可撓性を実現できる。たとえば、アルミニウム合金の封口板１２は、厚さを０．５ｍｍ〜２ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜１．５ｍｍとして、内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性を実現できる。ただし、封口板１２は必ずしも金属板とする必要はなく、たとえば、耐熱特性の優れたプラスチック板やゴム状弾性板とすることもできる。
角形電池セル１は、内圧が異常に上昇すると開弁する排出弁１４を設けて、外装缶１１の破裂を防止できる。図２の角形電池セル１は封口板１２の中央部に排出弁１４を設けている。排出弁１４は、設定圧力で開弁して内部のガスを排出する。排出弁１４は、後述する電流遮断部６が封口板１２の変形を検出して並列電池のショート電流を遮断した後に開弁するよう開弁する圧力を設定している。なお、本明細書において、並列電池とは、任意の角形電池セルに対して、この角形電池セルと並列に接続されている角形電池セルを意味するものとする。
バッテリシステムは、何れかの角形電池セル１が内部ショートするとき、並列接続している角形電池セル１、すなわち並列電池のショート電流を遮断する電流遮断部６を設けている。図３の概略回路図は、複数の角形電池セル１を並列に接続しているバッテリシステムにおいて、何れかの角形電池セルＡ（図において最上段の角形電池セル１）が内部ショート（矢印ａで表示）すると、この角形電池セルＡと並列に接続している隣の並列電池、すなわち角形電池セルＢ（上から２段目に配置している角形電池セル１）にもショート電流が流れる状態（矢印ｂで表示）を示している。この図に示すように、角形電池セルＡが内部ショートすると、並列電池の角形電池セルＢは、外部にできる外部ショート回路によってショートされるからである。いずれかひとつの角形電池セル１が内部ショートして過大電流が流れて熱暴走する状態で、さらに隣の角形電池セル１も、外部ショートによる過大電流で熱暴走すると、熱暴走が複数の角形電池セル１に誘発されて安全性は阻害される。電流遮断部６は、この弊害を防止するために、内部ショートした角形電池セル１と並列に接続している並列電池のショート電流を遮断して熱暴走の誘発を防止する。
電流遮断部６の原理図を図３の上部に示す。この図のバッテリシステムの電流遮断部６は、角形電池セルＡのショート電流で内圧が上昇して変形する封口板１２の変形を変形検出部６Ａで検出し、封口板１２の変形が設定値を越えると遮断部６Ｂが並列接続している角形電池セルＢに流れるショート電流を遮断する。この図の遮断部６Ｂは、並列接続のバスバー５Ｘを角形電池セルＡの電極端子１３から分離して、並列電池である角形電池セルＢのショート電流を遮断する。この図の遮断部６Ｂは、並列接続のバスバー５Ｘと電極端子１３との接続を分離してショート電流を遮断するが、遮断部６Ｂは、封口板１２の変形が設定値を越えるときに並列接続のバスバー５Ｘを破断し、あるいは切断して、角形電池セルＢのショート電流を遮断することもできる。
さらに、図４のバッテリシステムの電流遮断部６は、角形電池セル１の封口板１２の表面に絶縁プレート７を配置して、この絶縁プレート７の両端部を封口板１２と並列接続のバスバー５Ｘとの間に挿入して、絶縁プレート７で封口板１２の変形を検出し、角形電池セルＡのショート電流で内圧が上昇して封口板１２が変形して絶縁プレート７が押し上げられると、押し上げられた絶縁プレート７が並列接続のバスバー５Ｘを押し上げて並列接続のバスバー５Ｘと電極端子１３との接続を分離して並列接続している角形電池セル１のショート電流を遮断する。この図の電流遮断部６は、絶縁プレート７を変形検出部６Ａと遮断部６Ｂとしている。この図の電流遮断部６は、並列接続のバスバー５Ｘと電極端子１３との接続を切り離してショート電流を遮断するが、並列接続のバスバー５Ｘの一部を切断してショート電流を遮断することもできる。
図１のバッテリシステム１００は、並列接続のバスバー５Ｘで複数の角形電池セル１を並列に接続して並列電池ユニット１０とし、さらに、並列電池ユニット１０を直列接続のバスバー５Ｙで直列に接続している。図１のバッテリシステム１００は、バスバー５を介して、隣接する２個の角形電池セル１を並列に接続して並列電池ユニット１０とし、さらに、隣接する並列電池ユニット１０を直列に接続している。ただし、本発明のバッテリシステムは、必ずしも２個の角形電池セルを接続して並列電池ユニットとすることなく、３個以上の角形電池セルを接続して並列電池ユニットとし、あるいは全体の角形電池セルを並列に接続することもできる。
電流遮断部６の絶縁プレート７は、図２に示すように、封口板１２の表面にあって、その一部を互いに並列に接続している角形電池セル１の封口板１２とバスバー５との間に挿入している。２個又は３個の角形電池セル１を並列に接続しているバッテリシステム１００は、互いに並列に接続する全ての角形電池セル１、すなわち２個又は３個の角形電池セル１の封口板１２との対向位置に１枚の絶縁プレート７を配置する。４個以上の角形電池セルを並列に接続しているバッテリシステムは、複数に分割した複数枚の絶縁プレートを角形電池セルの封口板の対向位置に配置する。複数に分割された各々の絶縁プレートは、少なくとも並列接続している２個以上の角形電池セルの封口板との対向位置に配置される。絶縁プレート７は、変形する封口板１２で押し上げられてショート電流を遮断する。絶縁プレート７は、内部ショートして変形した角形電池セル１の封口板１２のみで押し上げられるので、内部ショートした角形電池セル１のバスバー５が最も強く押し上げられる。
図５は、２個の角形電池セル１を並列に接続している並列電池ユニット１０の概略斜視図である。この図は、一方の角形電池セルＡが内部ショートして封口板１２が変形して、ショート電流を瞬断する状態を示している。また、図６は図５を長手方向に切断した概略断面図、図７は図５を横方向に切断した概略断面図で、共に封口板１２で絶縁プレート７が押し上げられる状態を示している。これらの図において、変形しない平面状の封口板１２の上に配置される絶縁プレート７を鎖線で示し、中央部が突出して変形する封口板１２で押し上げられた絶縁プレート７を一点鎖線で示している。
これらの図に示す並列電池ユニット１０は、封口板１２の対向面に絶縁プレート７を配置している。絶縁プレート７は、１枚の板状で、図２に示すように、プレート部２１の両端部にバスバー５を押し上げる一対の押圧部２２を設けている。この絶縁プレート７は、変形しないプラスチック製の板材、あるいは表面を絶縁している金属板である。絶縁プレート７は、図５〜図７に示すように、プレート部２１が封口板１２で押し上げられると、押圧部２２でバスバー５を押し上げてショート電流を遮断する剛性のある絶縁板である。可撓性のある封口板１２は外周縁を外装缶１１に固定しているので、内部ショートすると中央部が突出するように変形する。封口板１２の突出部１２Ａで押し上げられるように、絶縁プレート７はプレート部２１を封口板１２の中央部に配置して、押圧部２２をバスバー５と封口板１２との間に挿入している。
図１のバッテリシステム１００は、この図において電池ブロック２の上面、すなわち、複数の角形電池セル１の封口板１２を同一平面に配置している電極面に、複数枚に区画された絶縁プレート７を配置している。複数の絶縁プレート７は、隣接する絶縁プレート７との境界に隙間１７を設けて、互いに干渉されることなく押し上げられて電流を遮断する。
図２及び図５の絶縁プレート７は、電極端子１３を挿入する貫通孔２３を設けている。貫通孔２３は、電極端子１３の外形より内形を大きくして、電極端子１３に対して移動できるように挿入している。図５〜図７に示すように、角形電池セルＡが内部ショートして封口板１２が突出すると、突出した封口板１２に押されて絶縁プレート７は一点鎖線で示す位置に押し上げられる。封口板１２は、周囲を外装缶１１の周囲に固定しているので、内圧が上昇すると、中央部が突出するように変形する。中央部が突出する封口板１２は、絶縁プレート７のプレート部２１を押し上げ、押し上げられる絶縁プレート７はバスバー５を押し上げる。押し上げられた絶縁プレート７は、内部ショートした角形電池セルＡの電極端子１３に接続しているバスバー５を電極端子１３から分離する。電極端子１３から分離されたバスバー５は、並列電池の外部ショートを解消し、並列電池である角形電池セルＢに流れるショート電流を遮断する。
絶縁プレート７は、図６に示すように、封口板１２の突出部１２Ａに接触する位置が力点Ｆ、バスバー５を押し上げて分離する位置が作用点Ｓ、バスバー５を押し上げて分離しない位置が支点Ｎとなって、バスバー５を電極端子１３から分離する。図５の絶縁プレート７は、各々の電極端子１３（図において４個の電極端子１３）に接続しているバスバー５を、電極端子１３から引き離すように押し上げるが、破断強度の最も弱い部分において、バスバー５は電極端子１３から分離される。
たとえば、角形電池セル１の一方の電極端子１３及びこの電極端子１３に接続しているバスバー５がアルミニウム製で、他方の電極端子１３及びこの電極端子１３に接続しているバスバー５を銅製（この明細書においてアルミニウムや銅等の金属は合金を含む意味に使用する。）とするバッテリシステムにあっては、アルミニウムの連結強度が銅よりも弱いので、アルミニウム製の電極端子１３とバスバー５との接続部が分離される。
図６において、突出部１２Ａで押し上げられる絶縁プレート７は、突出部１２Ａで押圧される力点Ｆの両側に、作用点Ｓと支点Ｎとが配置される。封口板１２に押し上げられて、作用点Ｓでバスバー５を電極端子１３から分離すると絶縁プレート７は傾斜する。平面状の絶縁プレート７を突出部１２Ａの湾曲面が押圧する。この状態で、傾斜する絶縁プレート７は、力点Ｆと作用点Ｓとの長さが力点Ｆと支点Ｎとの長さよりも長くなる。絶縁プレート７が傾斜することで、力点Ｆが支点Ｎに接近するからである。力点Ｆが支点Ｎに接近するにしたがって、支点Ｎから力点Ｆまでの長さ（Ｌ１）と、支点Ｎから作用点Ｓまでの長さ（Ｌ２）の比率、すなわちテコの比（Ｌ２／Ｌ１）が大きくなって、作用点Ｓがバスバー５を電極端子１３から引き離す距離、すなわち電極端子１３とバスバー５との間隔
（ｄ）は大きくなる。電極端子１３とバスバー５の間隔（ｄ）は、大きくするとショート電流を確実に遮断できる。
バッテリシステムは、テコの比（Ｌ２／Ｌ１）を調整して、引き離された電極端子１３とバスバー５との間隔（ｄ）をコントロールできる。絶縁プレート７の封口板１２との対向面の形状を変更して力点Ｆの位置を変更できるからである。図８と図９の断面図に示す絶縁プレート７は、突出する封口板１２に押圧される力点Ｆを長手方向に位置ずれさせるために、封口板１２との対向面を突出させている。絶縁プレート７は、図８に示すように、封口板１２側に突出する突出部２４の頂点を中央部よりも支点Ｎ側にずらせてテコの比
（Ｌ２／Ｌ１）を大きくでき、図９に示すように、突出部２４の頂点を中央部よりも作用点Ｓ側にずらせてテコの比（Ｌ２／Ｌ１）を小さくできる。テコの比（Ｌ２／Ｌ１）を大きくして、バスバー５が電極端子１３から離れる間隔（ｄ）を大きくでき、また、テコの比（Ｌ２／Ｌ１）を小さくして、作用点Ｓがバスバー５を電極端子１３から分離する力を強くできる。バスバー５が電極端子１３から離れる間隔（ｄ）と、作用点Ｓがバスバー５を電極端子１３から分離する力とは互いに相反する特性である。したがって、テコの比（Ｌ２／Ｌ１）は、バスバー５の分離距離と分離力を考慮して最適位置に設定する。
さらに、図１０の断面図に示す絶縁プレート７は、封口板１２の突出部１２Ａで面接触状態に押圧されるように、突出部１２Ａを案内する湾曲凹部２５を封口板１２との対向面に設けている。この絶縁プレート７は、封口板１２の突出部１２Ａに面接触状態に押圧されるので、可撓性のある封口板１２で無理なく安定して押し上げられる。
また、図２の絶縁プレート７は、封口板１２の中央部に設けている排出弁１４から排出される排出ガスを通過させるガス通過穴２６を中央部に設けている。この絶縁プレート７は、排出弁１４から排出される排出ガスをスムーズに通過できる。図１１の絶縁プレート７は、ガス通過穴２６を通過した排出ガスが真上に噴射されるのを阻止するカバー２７を上面に設けている。この絶縁プレート７は、排出ガスを水平方向に噴射するので、真上に配置している回路基板などの損傷を防止できる。さらに、図１２の絶縁プレート７は、ガス通過穴２６を通過した排出ガスの溜部２８を設けているので、排出ガスが周囲に直接に噴出されるのを防止できる。
バッテリシステム１００の電流遮断部６は、内部ショートによる封口板１２の変形を検出する変形検出部６Ａと、変形検出部６Ａで検出する封口板１２の変形が設定値を越えるとショート電流を遮断する遮断部６Ｂとを備えるが、図５及び図６のバッテリシステムは、電極端子１３とバスバー５との連結部を、内部ショートした封口板１２で絶縁プレート７が押し上げられるとバスバー５が電極端子１３から分離される連結強度としている。以上の電流遮断部６は、封口板１２の変形を絶縁プレート７で検出し、この絶縁プレート７がバスバー５を電極端子１３から分離するので、変形検出部６Ａと遮断部６Ｂは絶縁プレート７で構成される。この電流遮断部６は、バスバー５と電極端子１３との連結強度を、内部ショートした角形電池セル１の封口板１２に押し上げられて、バスバー５が電極端子１３から分離される強度として、並列電池のショート電流を遮断する。
電極端子１３とバスバー５との連結強度は、バスバー５を電極端子１３に溶接する面積で調整する。電極端子１３とバスバー５との溶接面積を小さくして連結強度を弱くし、反対に溶接面積を大きくして連結強度を強くできるからである。ただ、バスバー５と電極端子１３との連結強度は、電極端子１３とバスバー５との溶接部の形状で調整し、またスポット溶接して固定されるバスバー５は溶断電流で調整し、レーザー溶接して固定されるバスバー５はレーザー溶接に使用するレーザービームの出力、レーザービームの照射面積、照射時間で調整し、さらに、超音波振動で電極端子１３に溶接されるバスバー５は、超音波振動子の出力、押圧力、超音波振動させる時間で調整し、さらに、電極端子１３とバスバー５との金属材料の種類等で調整できる。
電流遮断部６は、並列接続のバスバー５Ｘの一部を切断して、ショート電流を瞬断することもできる。この並列接続のバスバー５Ｘは、図２に示すように横幅を狭く加工し、あるいは、図示しないが、切断される部分を薄くして、強制的に引張強度を弱くしてショート電流を遮断する。この並列接続のバスバー５Ｘは、図２に示すように、金属板の両側に切欠部５ａを設けて中央部に幅狭部５ｂを設け、あるいは金属板の一部をプレス加工や切削加工により薄く形成して引張強度を弱くし、押圧部２２で押し上げられる際に、この部分で破断され、あるいは切断される構造とする。この場合、突出する封口板１２で押し上げられる絶縁プレート７のプレート部２１の中央部が変形検出部６Ａとなり、並列接続のバスバー５Ｘを押し上げる押圧部２２が遮断部６Ｂとなる。なお、並列接続のバスバー５Ｘの破断は、必ずしも押圧部２２による機械的な作用のみである必要はなく、押圧部２２による押圧と、並列接続のバスバー５Ｘの幅狭部５ｂに流れる電流による発熱が合わさって、並列接続のバスバー５Ｘが破断するように構成してもよい。
以上のバッテリシステムは、電動車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源に最適である。バッテリシステムを搭載する電動車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの電動車両の電源として使用される。
（ハイブリッド車用バッテリシステム）
図９に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステムを搭載した車両ＨＶは、車両本体９０と、車両本体９０を走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、バッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４と、モータ９３とエンジン９６で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。バッテリシステム１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、バッテリシステム１００の電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ９３は、バッテリシステム１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム１００の電池を充電する。
（電気自動車用バッテリシステム）
また、図１０に、モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステムを搭載した車両ＥＶは、車両本体９０と、車両本体９０を走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、このバッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。モータ９３は、バッテリシステム１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム１００の電池を充電する。
（蓄電用バッテリシステム）
さらに、本発明はバッテリシステムの用途を電動車両に搭載するバッテリシステムには特定せず、たとえば、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーを蓄電する蓄電装置用のバッテリシステムとして使用でき、また深夜電力を蓄電する蓄電装置用のバッテリシステムのように、大電力を蓄電する全ての用途に使用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図１１に示す。なお、図１１に示す蓄電装置としての使用例では、所望の電力を得るために、上述したバッテリシステムを直列や並列に多数接続して、さらに必要な制御回路を付加した大容量、高出力の蓄電装置８０を構築した例として説明する。
図１１に示す蓄電装置８０は、複数のバッテリシステム１００をユニット状に接続して電源ユニット８２を構成している。各バッテリシステム１００は、複数の角形電池セルが直列及び／又は並列に接続されている。各バッテリシステム１００は、電源コントローラ８４により制御される。この蓄電装置８０は、電源ユニット８２を充電用電源ＣＰで充電した後、負荷ＬＤを駆動する。このため蓄電装置８０は、充電モードと放電モードを備える。負荷ＬＤと充電用電源ＣＰはそれぞれ、放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳを介して蓄電装置８０と接続されている。放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳのＯＮ／ＯＦＦは、蓄電装置８０の電源コントローラ８４によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＦＦに切り替えて、充電用電源ＣＰから蓄電装置８０への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷ＬＤからの要求に応じて、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＦＦに、放電スイッチＤＳをＯＮにして放電モードに切り替え、蓄電装置８０から負荷ＬＤへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＮにして、負荷ＬＤの電力供給と、蓄電装置８０への充電を同時に行うこともできる。
蓄電装置８０で駆動される負荷ＬＤは、放電スイッチＤＳを介して蓄電装置８０と接続されている。蓄電装置８０の放電モードにおいては、電源コントローラ８４が放電スイッチＤＳをＯＮに切り替えて、負荷ＬＤに接続し、蓄電装置８０からの電力で負荷ＬＤを駆動する。放電スイッチＤＳはＦＥＴ等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチＤＳのＯＮ／ＯＦＦは、蓄電装置８０の電源コントローラ８４によって制御される。また電源コントローラ８４は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図１１の例では、ＵＡＲＴやＲＳ−２３２Ｃ等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器ＨＴと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。
各バッテリシステム１００は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、入出力端子ＤＩと、異常出力端子ＤＡと、接続端子ＤＯとを含む。入出力端子ＤＩは、他のバッテリシステム１００や電源コントローラ８４からの信号を入出力するための端子であり、接続端子ＤＯは他のバッテリシステム１００に対して信号を入出力するための端子である。また異常出力端子ＤＡは、バッテリシステム１００の異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、バッテリシステム１００同士を直列、並列に接続するための端子である。また電源ユニット８２は、並列接続スイッチ８５を介して出力ラインＯＬに接続されて互いに並列に接続されている。
本発明に係るバッテリシステムとこれを備える電動車両及び蓄電装置は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等のバッテリシステムとして好適に利用できる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。
１００…バッテリシステム、１…角形電池セル、２…電池ブロック、３…エンドプレート、４…バインドバー、５…バスバー、５Ｘ…並列接続のバスバー、５Ｙ…直列接続のバスバー、５ａ…切欠部、５ｂ…幅狭部、６…電流遮断部、６Ａ…変形検出部、６Ｂ…遮断部、７…絶縁プレート、１０…並列電池ユニット、１１…外装缶、１２…封口板、１２Ａ…突出部、１３…電極端子、１４…排出弁、１７…隙間、２１…プレート部、２２…押圧部、２３…貫通孔、２４…突出部、２５…湾曲凹部、２６…ガス通過穴、２７…カバー、２８…溜部、８０…蓄電装置、８２…電源ユニット、８４…電源コントローラ、８５…並列接続スイッチ、９０…車両本体、９３…モータ、９４…発電機、９５…ＤＣ／ＡＣインバータ、９６…エンジン、９７…車輪、ＥＶ…車両、ＨＶ…車両、ＬＤ…負荷、ＣＰ…充電用電源、ＤＳ…放電スイッチ、ＣＳ…充電スイッチ、ＯＬ…出力ライン、ＨＴ…ホスト機器、ＤＩ…入出力端子、ＤＡ…異常出力端子、ＤＯ…接続端子

Claims (9)

  1. 封口板に正負の電極端子を設けてなる複数の角形電池セルを積層してなる電池ブロックと、
    前記角形電池セルの電極端子に接続されて、一部又は全体の該角形電池セルを並列に接続してなる並列接続のバスバーと、を備えるバッテリシステムのショート電流遮断方法であって、
    前記角形電池セルの封口板を、該角形電池セルの異常により内圧が上昇すると変形する可撓性のある板材とし、
    前記角形電池セルの前記封口板の変形が設定値を越えると並列接続している前記角形電池セルのショート電流を遮断することを特徴とするバッテリシステムのショート電流遮断方法。
  2. 請求項１に記載されるバッテリシステムのショート電流遮断方法であって、
    前記角形電池セルの前記封口板の表面に絶縁プレートを配置して、前記絶縁プレートの一部を前記並列接続のバスバーと前記封口板との間に配置し、
    前記角形電池セルのショート電流で内圧が上昇して前記封口板が変形して前記絶縁プレートが押し上げられると、
    押し上げられる前記絶縁プレートで前記並列接続のバスバーを切断し、あるいは前記並列接続のバスバーと前記電極端子との接続を分離して並列接続している前記角形電池セルのショート電流を遮断することを特徴とするバッテリシステムのショート電流遮断方法。
  3. 封口板に正負の電極端子を設けてなる複数の角形電池セルを積層してなる電池ブロックと、
    前記角形電池セルの電極端子に接続されて、一部又は全体の該角形電池セルを並列に接続してなる並列接続のバスバーと、
    前記並列接続のバスバーを介して並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流を遮断する電流遮断部とを備え、
    前記角形電池セルの封口板は、該角形電池セルの内部ショートによる内圧上昇で変形する可撓性を有し、
    前記電流遮断部が、前記角形電池セルの内部ショートによる内圧上昇での前記封口板の変形を検出して並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流を遮断するようにしてなるバッテリシステム。
  4. 請求項３に記載されるバッテリシステムであって、
    前記電流遮断部は、前記封口板の変形が設定値を越えると、並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流を遮断する遮断部を備えるバッテリシステム。
  5. 請求項４に記載されるバッテリシステムであって、
    前記遮断部が、前記角形電池セルの封口板の表面に配置されて、一部を前記並列接続のバスバーと前記封口板との間に配置してなる絶縁プレートで、
    前記絶縁プレートは、一対の前記並列接続のバスバーと前記封口板との間に配置されてなる両側の押圧部と、並列接続してなる前記角形電池セルの前記封口板の表面に配置されて、前記押圧部を連結してなるプレート部とを有し、
    前記封口板の変形で前記絶縁プレートの押圧部が前記並列接続のバスバーを押圧する押圧力で、前記並列接続のバスバーが切断され、あるいは前記並列接続のバスバーが前記電極端子から分離されて並列接続してなる前記角形電池セルのショート電流が遮断されるようにしてなることを特徴とするバッテリシステム。
  6. 請求項５に記載されるバッテリシステムであって、
    前記並列接続のバスバーが、前記絶縁プレートの押圧部の押圧力で切断される切断部を有することを特徴とするバッテリシステム。
  7. 請求項５に記載されるバッテリシステムであって、
    前記並列接続のバスバーが、前記絶縁プレートの押圧部に押圧されて前記電極端子から分離する連結強度としてなることを特徴とするバッテリシステム。
  8. 請求項３ないし７のいずれかに記載のバッテリシステムを備える電動車両であって、
    前記バッテリシステムと、該バッテリシステムから電力供給される走行用のモータと、該バッテリシステム及び前記モータを搭載してなる車両本体と、該モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪とを備えることを特徴とするバッテリシステムを備える電動車両。
  9. 請求項３ないし７のいずれかに記載のバッテリシステムを備える蓄電装置であって、
    前記バッテリシステムと、該バッテリシステムへの充放電を制御する電源コントローラとを備えており、前記電源コントローラでもって、外部からの電力により前記角形電池セルへの充電を可能とすると共に、該角形電池セルに対し充電を行うよう制御することを特徴とする蓄電装置。
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