WO2017060942A1

WO2017060942A1 - バッテリパックの圧力開放機構

Info

Publication number: WO2017060942A1
Application number: PCT/JP2015/078144
Authority: WO
Inventors: 佐藤　武
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2017-04-13
Also published as: EP3361526A1; CN108140780A; CN108140780B; US20180261872A1; JP6493548B2; US10446870B2; EP3361526A4; JPWO2017060942A1; EP3361526B1; KR20180050432A; KR101954043B1

Abstract

　バッテリパック（１）の圧力開放機構（１１）は、円形の開口部（１２）と隙間調整板（１３）とから構成される。隙間調整板（１３）は、開口部（１２）を挟んで互いに対向する位置にある一対の固定具（１４）によって壁（５Ａ）に局部的に固定される。セルの内部短絡等でガスが発生すると、バッテリパック（１）が膨張するように弾性変形し、一対の固定具（１４）と直交する方向では、開口部（１２）周囲の壁（５Ａ）の湾曲変形に伴い、隙間（ΔＬ）が生じる。パックケース（２）内部の高圧ガスは、隙間（ΔＬ）を通して外部へ排出される。

Description

バッテリパックの圧力開放機構

　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機構、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機構に関する。

　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や特許文献２には、バッテリパックの一部に開口部を設け、この開口部を覆う蓋部材がガス発生時に除去されるようにした、一種の圧力開放弁が開示されている。特許文献１には、矩形の開口部を覆う蓋部材が、バッテリパック内の圧力によって破断ないし変形あるいは吹き飛ばされることによって、開口部が開放される構成が開示されている。特許文献２には、蓋部材を低融点材料にて形成し、バッテリパックで発生したガスの熱で溶融することにより、開口部が開放される構成が開示されている。

　このように従来の圧力開放弁型の構成は、開口部を覆う蓋部材をバッテリパック自体に比較して弱い構成としておくことで、バッテリパック内部でガスが急激に発生したときに、蓋部材の破断や永久的な変形あるいは溶融除去等によって開口部が開放される構成であり、バッテリパック内部のガスが概ね排出されてバッテリパック内部の圧力が低下した後も、開口部が開放状態のままとなる。従って、バッテリパック内部の圧力低下後に、外部の空気つまり酸素がバッテリパック内部に容易に流入し、バッテリパック内部でガスの急激な酸化反応が生じる懸念がある。なお、特許文献２の第３実施例は、リード弁状の逆流防止弁を具備した構成を開示しているが、この逆流防止弁は、高温ガスの流れを低融点材料からなる蓋部材に案内するためのものであり、ガス発生時には蓋部材そのものが溶融することから、やはり開口部が開放されたままの状態となる。

　しかも、特許文献１，２の構成では、バッテリパックの一部つまり開口部を覆う蓋部材が、局部的に強度の低い部位となるので、飛び石等に対する対策が必要になるなど別の問題が新たに生じやすい。

特開２０１４－４１８４１号公報特開２０１４－１０７１７８号公報

　本発明に係るバッテリパックの圧力開放機構は、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に開口形成された開口部と、
　この開口部を覆うように上記パックケースの壁の外側面もしくは内側面に沿って配置され、かつ、上記開口部を挟んで互いに対向する２箇所の固定部において上記壁に局部的に固定された板状部材と、
　を備えて構成されている。

　本発明の圧力開放機構は、基本的に、ガス発生時のパックケース内部の圧力上昇によるパックケース自体の弾性変形を利用して、開口部を通した圧力の開放が達成される。すなわち、ガス発生に伴ってパックケース内部の圧力が上昇すると、パックケースが膨張しようとするため、開口部周囲のパックケースの壁が湾曲変形する。これに対し、開口部に重ねられている板状部材は、開口部を挟む２箇所で局部的に壁に固定されているため、パックケースに追従した変形は生じない。結果として、パックケースの壁と板状部材との間に、パックケースの変形量つまりパックケースの内部圧力に応じた大きさの隙間が発生し、この隙間を介して開口部を通した圧力の開放（換言すればガスの排出）がなされる。

　パックケース内のガスが概ね排出されてパックケース内部の圧力が低下すると、膨らんでいたパックケースは再び初期の形状に戻ろうとし、開口部周囲のパックケースの壁の湾曲変形が小さくなる。そのため、パックケースの壁と板状部材との間の隙間が再び小さくなり、パックケース内部と外部とを連通する通路面積が縮小する。理想的には、パックケースの弾性変形の範囲内で圧力の開放がなされ、圧力低下に伴って、開口部周囲の壁の変形は０に復帰し、開口部と板状部材との関係は初期状態に復帰する。

　従って、パックケース内部のガスが概ね排出された後に、パックケースは再び実質的に密閉された状態に復帰し、内部がごく僅かな正圧状態に保持されて、外部からの空気つまり酸素の流入が抑制される。

　このように、本発明によれば、パックケースの開口部に板状部材を重ねて配置した極めて簡単な構成でもって、開口部の実質的な通路面積をパックケース内部の圧力に応じた形で得ることができ、ガス発生時の内部圧力の速やかな開放とその後の酸素の流入の抑制とを達成することができる。しかも、開口部を覆う板状部材は圧力による破断等の機能が不要であるので、飛び石等に対しパックケースの他の部分と同様の強度を維持することが可能である。

本発明に係る圧力開放機構を備えた一実施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。圧力開放機構の第１実施例を示すパックケースアッパの要部の平面図。図３のＡ－Ａ線に沿った要部の断面図。内部の圧力によってパックケースが膨らんでいるときの図３のＡ－Ａ線に沿った要部の断面説明図であり、（ａ）内部圧力が高いとき、および（ｂ）内部圧力が比較的低いとき、の状態を対比して示した図。圧力開放機構の第２実施例を示すパックケースアッパの要部の平面図。図６のＢ－Ｂ線に沿った要部の断面図。内部の圧力によってパックケースが膨らんでいるときの図６のＢ－Ｂ線に沿った要部の断面説明図であり、（ａ）内部圧力が高いとき、および（ｂ）内部圧力が比較的低いとき、の状態を対比して示した図。圧力開放機構の第３実施例を示すパックケースアッパの要部の平面図。図９のＣ－Ｃ線に沿った要部の断面図。内部の圧力によってパックケースが膨らんでいるときの図９のＣ－Ｃ線に沿った要部の断面説明図であり、（ａ）内部圧力が高いとき、および（ｂ）内部圧力が比較的低いとき、の状態を対比して示した図。圧力開放機構の第４実施例を示すパックケースアッパの要部の平面図。図１２のＤ－Ｄ線に沿った要部の断面図。内部の圧力によってパックケースが膨らんでいるときの図１２のＤ－Ｄ線に沿った要部の断面説明図であり、（ａ）内部圧力が高いとき、および（ｂ）内部圧力が比較的低いとき、の状態を対比して示した図。

　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、本発明を例えば電気自動車用のバッテリパック１に適用した一実施例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おり、つまり、長手方向の一端部の高天井部５Ｈと残部の低天井部５Ｌとを備えている。

　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、内部圧力が上昇したときにパックケース２の前後方向（図中のＹ方向）に沿って湾曲変形が比較的大きく現れる高天井部５Ｈに、後述するような圧力開放機構１１が配置されている。なお、パックケースアッパ５には、パックケースロア４よりも板厚の薄い鋼板が用いられており、従って、内部圧力が上昇したときに、パックケースアッパ５がパックケースロア４よりも相対的に大きく変形する。

　図３および図４は、圧力開放機構１１の第１実施例を示している。この圧力開放機構１１は、高天井部５Ｈにおいて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、パックケースアッパ５の壁５Ａの外側面に沿って配置された板状部材つまり隙間調整板１３と、から構成されている。上記開口部１２は、バッテリパック１の容量等に応じた適宜な大きさに設定されるが、一実施例では、数ｃｍ程度の直径を有している。なお、本実施例の圧力開放機構１１においては、開口部１２の開口面積そのものではなく、開口部１２の周縁（開口縁）の長さの長短によって最終的な通路面積が左右される。

　隙間調整板１３は、例えば、適宜な板厚の鋼板からなり、角部を丸めた略正方形の平坦な板状をなしている。隙間調整板１３は、パックケース２内部の圧力で変形しないことが望ましく、例えば、パックケースアッパ５の材料の板厚よりも厚い鋼板が用いられている。隙間調整板１３は、図示例では略正方形に形成されているが、円形、六角形、八角形、長方形、など任意の形状とすることができる。そして、隙間調整板１３は、その中心が開口部１２の中心と一致するようにして開口部１２の外側面に重ねられており、かつ、開口部１２を挟んで互いに対向するように配置された一対の固定具１４によって壁５Ａに取り付けられている。固定具１４としては、例えば、ボルト、リベット等を用いることができ、あるいは固定具１４に代えて溶接等で固定するようにしてもよい。従って、開口部１２を覆う隙間調整板１３は、開口部１２の全周３６０°の中で、開口部１２を挟んで対向する２箇所のみで局部的に固定されている。なお、図示例では、１８０°離れた一対の固定部の各々が単一の固定具１４（ボルト、リベット等）にて構成されているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、一つの固定部について２本のボルトを用いた構成なども可能である。

　上記の固定具１４による固定の方向としては、一対の固定具１４を結ぶ直線Ｌ（図３参照）が、パックケース２の幅方向（図１のＸ方向）に沿ったものとなることが望ましい。つまり、隙間調整板１３が取り付けられる部位の壁５Ａの曲げ剛性としては、一対の固定具１４を結ぶ方向（図１のＸ方向）に沿った壁５Ａの曲げ剛性に比較して、これと直交する方向（図１のＹ方向）に沿った壁５Ａの曲げ剛性が相対的に低いものとなっている。

　上記のように構成された第１実施例の圧力開放機構１１においては、通常の使用時には、図４に示すように、隙間調整板１３が開口部１２の開口縁に近接しており、開口部１２が実質的に閉塞されている。従って、開口部１２を通した異物の侵入が防止される。特に、隙間調整板１３は剛性の高い板状部材例えば鋼板から構成されているので、局部的に弱い部位となることがなく、飛び石等による損傷の虞がない。

　一方、図５（ａ），（ｂ）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内の圧力が上昇したときの状態を示している。パックケース２内の圧力が上昇すると、大気圧との圧力差に基づきパックケース２の各部が内側から力を受け、断面略矩形のパックケース２が外側へ膨らもうとして湾曲変形する。このとき、開口部１２の３６０°の中で、一対の固定具１４によって壁５Ａと隙間調整板１３とが接合されている方向（図３の線Ｌに沿った方向）では、壁５Ａと隙間調整板１３とが離れることはないが、これと直交する方向（図３のＡ－Ａ線に沿った方向）では、開口部１２周囲の壁５Ａの湾曲変形に伴い、図示するように、隙間調整板１３が開口部１２の開口縁から離れて、隙間ΔＬが生じる。

　従って、パックケース２内部の高圧ガスが、図中に矢印で示すように、開口部１２から隙間ΔＬを通して外部へ排出される。ここで、上記構成では、パックケース２自体が広い面積で圧力差を受けるので、比較的低い圧力差でもって壁５Ａの変形が生じ、ガスの排出を応答性良く開始することが可能である。

　なお、図５の断面に沿った方向の曲げ剛性として、隙間調整板１３の曲げ剛性の方が上記壁５Ａの曲げ剛性よりも高いことが望ましいが、この実施例では、壁５Ａが隙間調整板１３から離れる方向に変形するので、隙間調整板１３の曲げ剛性が壁５Ａの曲げ剛性よりも高くなくても、特に問題はない。

　上記の隙間ΔＬは、図５（ａ），（ｂ）に示すように、壁５Ａの湾曲変形の程度つまりパックケース２内部の圧力（厳密には外部の大気圧との圧力差）に応じて、その大きさが変化する。内部の圧力が非常に高いときは、図（ａ）に示すように隙間ΔＬが大きく生じ、内部の圧力が相対的に低いと、図（ｂ）に示すように隙間ΔＬは相対的に小さくなる。

　パックケース２の変形は、基本的に弾性変形の範囲内でなされる。換言すれば、弾性変形の範囲内で十分な隙間ΔＬが生じ、高温ガスの排出がなされる。従って、パックケース２内のガスが概ね排出されて圧力が低下すると、パックケース２の壁５Ａは初期形状に復帰しようとし、図４のように隙間調整板１３が開口部１２に近接した状態に戻る。隙間調整板１３が開口部１２を実質的に閉塞したときに、パックケース２内部はごく僅かな正圧状態にあるので、開口部１２が閉塞されることで、パックケース２内部はそのままごく僅かな正圧状態に保持される。そのため、開口部１２を通した外部からの空気つまり酸素の流入が抑制される。

　なお、図４には、初期状態として隙間調整板１３が壁５Ａの内側に接した形に図示してあるが、両者間に、例えば１～３ｍｍ程度の適宜な初期隙間を与えるようにしてもよい。この初期隙間の大きさは、図５（ａ）のようにパックケース２の壁５Ａが湾曲変形したときに必要なガスの流量（換言すれば開口面積）と、図４のようにパックケース２が初期状態に復帰したときに許容し得るガス（ここでは大気）の流量と、を勘案して設定される。このように適宜な初期隙間を与えることで、開口部１２を相対的に小型化することが可能となる。

　次に、図６～図８に基づき、圧力開放機構１１の第２実施例を説明する。この第２実施例では、パックケース２に設けられた開口部１２の内側面に沿って隙間調整板１３が配置されている。この隙間調整板１３は、第１実施例と基本的に同様の構成であり、例えば適宜な板厚の鋼板からなり、角部を丸めた略正方形の平坦な板状をなしている。そして、隙間調整板１３は、その中心が開口部１２の中心と一致するようにして開口部１２の内側面に重ねられており、かつ、開口部１２を挟んで互いに対向するように配置された一対の固定具１４によって壁５Ａに取り付けられている。なお、前述したように、壁５Ａの内側面と隙間調整板１３との間に適宜な初期隙間を与えるようにしてもよい。

　ここで、この第２実施例においては、隙間調整板１３のパックケース２に対する固定の方向が、前述した第１実施例と９０°異なるものとなっている。具体的には、一対の固定具１４を結ぶ図６のＢ－Ｂ線の方向が、パックケース２の長手方向（図１のＹ方向）に沿った取付姿勢となることが望ましい。従って、隙間調整板１３が取り付けられる部位の壁５Ａの曲げ剛性としては、一対の固定具１４を結ぶ方向（図１のＹ方向）に沿った壁５Ａの曲げ剛性の方が、これと直交する方向（図１のＸ方向）に沿った壁５Ａの曲げ剛性よりも相対的に低いものとなっている。

　また、隙間調整板１３の曲げ剛性は、パックケース２の壁５Ａの曲げ剛性よりも高い。特に、２箇所の固定具１４を結ぶＢ－Ｂ線に沿った曲げ剛性として、隙間調整板１３の曲げ剛性が壁５Ａの曲げ剛性よりも高いものとなっている。

　上記のように構成された第２実施例の圧力開放機構１１においては、通常の使用時には、図７に示すように、隙間調整板１３が開口部１２の開口縁に近接しており、開口部１２が内側から実質的に閉塞されている。従って、開口部１２を通した異物の侵入が防止される。特に、隙間調整板１３は剛性の高い板状部材例えば鋼板から構成されているので、局部的に弱い部位となることがなく、飛び石等による損傷の虞がない。

　一方、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、図８（ａ）に示すように、大気圧との圧力差に基づきパックケース２の各部が内側から力を受け、断面略矩形のパックケース２が外側へ膨らもうとして湾曲変形する。このとき、開口部１２の３６０°の中で、一対の固定具１４によって壁５Ａと隙間調整板１３とが接合されている方向（図６のＢ－Ｂ線の方向）では、図８（ａ）に示すように、一対の固定具１４を固定端とした形で壁５Ａが外側へ湾曲するため、開口部１２が隙間調整板１３から離れ、隙間ΔＬが生じる。また、一対の固定具１４を結ぶＢ－Ｂ線と直交する方向においては、壁５Ａの湾曲変形が図８（ａ）に示す断面での湾曲変形よりも小さいものとなるとともに、固定具１４を具備しないことから、壁５Ａから隙間調整板１３が離れた状態となる。

　従って、パックケース２内部の高圧ガスが、図中に矢印で示すように、隙間ΔＬを通して開口部１２から外部へ排出される。この第２実施例においても、パックケース２自体が広い面積で圧力差を受けるので、比較的低い圧力差でもって壁５Ａの変形が生じ、ガスの排出を応答性良く開始することが可能である。

　上記の隙間ΔＬは、図８（ａ），（ｂ）に示すように、やはり壁５Ａの湾曲変形の程度つまりパックケース２内部の圧力（厳密には外部の大気圧との圧力差）に応じて、その大きさが変化する。内部の圧力が非常に高いときは、図（ａ）に示すように隙間ΔＬが大きく生じ、内部の圧力が相対的に低いと、図（ｂ）に示すように隙間ΔＬは相対的に小さくなる。

　第２実施例においても、パックケース２の変形は、基本的に弾性変形の範囲内でなされるので、パックケース２内のガスが概ね排出されて圧力が低下すると、隙間調整板１３が再び開口部１２を実質的に閉塞する。これにより、パックケース２内部がごく僅かな正圧状態に保持され、開口部１２を通した外部からの空気つまり酸素の流入が抑制される。

　次に、図９～図１１に基づき、圧力開放機構１１の第３実施例を説明する。この第３実施例は、第１実施例と同様の基本構成を有し、さらに、開口部１２の内側に、所定の圧力によって破断するシート状もしくは薄板状の破裂部材２１を備えている。一実施例では、破裂部材２１は円形の薄いアルミニウム板からなり、半円状に２つに割れるように、直径方向に沿った凹溝２２を備えている。この破裂部材２１は、開口部１２を閉塞するように該開口部１２の内側に重ねて配置され、周縁部が接着材等を介して壁５Ａ内側面に接合されている。

　このように開口部１２に重ねて設けられた破裂部材２１は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、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内の圧力が上昇したときに、所定圧力でもって破断する。そして、隙間調整板１３と開口部１２との間には、前述したように、パックケース２の弾性変形に伴って隙間ΔＬが生じるので、破裂部材２１の破断と同時にガスの排出が開始される。

　ガスが概ね排出されてパックケース２内の圧力が低下すれば、第１実施例と同様に、隙間調整板１３によって開口部１２が実質的に閉塞され、酸素ないし空気の流入が抑制される。

　このように破裂部材２１をさらに具備した構成においては、パックケース２が多少変形して隙間ΔＬが拡大したとしても、破裂部材２１が破断する設定圧に達するまでは開口部１２が閉じた状態に保たれる。従って、圧力開放機構１１が開放される圧力の設定が容易かつ高精度となる。しかも、初期状態における開口部１２のシール性が向上する。特に、前述したように壁５Ａと隙間調整板１３との間に初期隙間を与えた場合に、この初期隙間を通した雨水や塵埃の侵入を、破裂部材２１によって確実に防止することができる。

　次に、図１２～図１４は、第２実施例と同様の基本構成のものにおいて、さらに破裂部材２１を備えた圧力開放機構１１の第４実施例を示している。この実施例では、壁５Ａに設けられた開口部１２の外側面に破裂部材２１が重ねられている。その他の破裂部材２１の構成ならびにその作用は、前述した第３実施例と同様である。　

Claims

　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に開口形成された開口部と、
　この開口部を覆うように上記パックケースの壁の外側面もしくは内側面に沿って配置され、かつ、上記開口部を挟んで互いに対向する２箇所の固定部において上記壁に局部的に固定された板状部材と、
　を備えてなるバッテリパックの圧力開放機構。
　上記板状部材は、上記壁の外側面に沿って配置されている、請求項１に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記板状部材は、上記壁の内側面に沿って配置されている、請求項１に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記の２箇所の固定部を結ぶ直線に直交した方向に沿った曲げ剛性として、上記板状部材の曲げ剛性が上記壁の曲げ剛性よりも高い、請求項２に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記の２箇所の固定部を結ぶ方向に沿った曲げ剛性として、上記板状部材の曲げ剛性が上記壁の曲げ剛性よりも高い、請求項３に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記の２箇所の固定部を結ぶ方向に沿った上記壁の曲げ剛性に比較して、これと直交する方向に沿った上記壁の曲げ剛性が相対的に低い、請求項２または４に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記の２箇所の固定部を結ぶ方向に沿った上記壁の曲げ剛性が、これと直交する方向に沿った上記壁の曲げ剛性に比較して相対的に低い、請求項３または５に記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　互いに隣接した上記板状部材と上記壁との間に、所定の初期隙間が設けられている、請求項１～７のいずれかに記載のバッテリパックの圧力開放機構。
　上記開口部を閉塞するように該開口部に重ねて配置され、所定の圧力によって破断するシート状もしくは薄板状の破裂部材をさらに備える、請求項１～８のいずれかに記載のバッテリパックの圧力開放機構。