JP2011258426A - 二次電池パック - Google Patents

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Abstract


【課題】単純なダクト構成によって、二次電池から放出されるガスの車室内への流入を防止する。
【解決手段】車室から、逆流防止装置、ダクト、セパレータ、電池セルの周囲、セパレータ、ダクト、動力ファン8を経て、車外に至る流路TFが形成されており、車室内から引き込まれた冷却風がこの流路を流れる。流路における、電池セルの周囲、セパレータ5Bの内部、動力ファンを経て、車外に至る部分は、電池セルが放出したガスの排出に併用され、排出されたガスは、動力ファンによって、速やかに車外に排出される。ガス排出時には、逆流防止装置は閉鎖され、取り入れ口からガスが車室内に流入することはない。流路を冷却風、ガスの両者に適用するので、流路は単純であり、二次電池パックの構成を単純化すことができる。また、逆流防止装置の存在によって、車室内へのガスの流入を完全に防止できる。
【選択図】 図4

Description

本発明は二次電池の電池パックの構造に関する。
EV車両やHV車両に搭載される車載用二次電池は、複数の単位電池を集合して大容量、高出力の組み電池とする必要があり、通常、二次電池パック内に複数の単位電池を収納する。二次電池パックには、車室内から取り込んだ空気で各単位電池を冷却するための冷却風流路と、単位電池に異常が生じたときに単位電池内部から放出されるガスを車外に排出するためのガス排出流路とが設けられる。電池セルから放出されるガスは高温、高圧であり、かつ人体に有害であるため、ガス冷却風流路とガス排出流路は相互に分離される。
特開2006−182264
特許文献1記載の二次電池パックは、冷却風供給ダクトと排気ガス管を備え、排気ガス管は個々の電池セルに接続されている。
このように、電池セルから放出されるガスを漏れなく捕集し、車外に排出するために、排気ガス管の構成が複雑になり、電池パックは構造が複雑化するとともにサイズが大型化する。
本発明による二次電池パックは、複数の電池セルが収納されるセル収容室と、前記セル収容室に冷却風を取り込む取込み通路と、前記冷却風および前記電池セルから放出されるガスを前記セル収容室から排出する排出通路と、前記取込み通路の入口に設けられ、前記セル収容室の内圧が前記取込み通路の入り口の圧力よりも高くなる条件で前記ガスの逆流を防止する逆流防止装置とを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、単純なダクト構成によって、二次電池から放出されるガスの車室内への流入を防止すことができる。
本発明による二次電池パックの第1実施形態を搭載した車両を示す正面図。 図1の二次電池パックを示す外観斜視図。 図2の二次電池パックの分解斜視図。 図3の二次電池パックにおける逆止弁開放状態を示す分解斜視図。 図3の二次電池パックにおける逆止弁開放状態を示す部分拡大断面図。 図3の二次電池パックにおける逆止弁閉鎖状態を示す部分拡大断面図。 本発明による二次電池パックの第2実施形態を示す部分拡大断面図。 図7における9A部を示す拡大図。 図7の二次電池パックにおける逆止弁開放状態を示す外観斜視図。 本発明による二次電池パックの第3実施形態を示す部分拡大断面図。 図10における9A部を示す拡大図。 図10におけるストッパを示す拡大図。 図10の二次電池パックにおける逆止弁閉鎖状態を示す外観斜視図。 図10の二次電池パックにおける逆止弁開放状態を示す外観斜視図。 本発明による二次電池パックの第4実施形態を示す部分斜視図。 第4実施形態の二次電池パックの内部を示す正面図と制御回路を示す図。 第4実施形態の逆止弁の開閉制御手順を示すフローチャート。
次に、本発明による二次電池パックの実施形態を、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1に示すように、電気自動車に搭載される二次電池パック50は、例えば、車両後部に設置されている。二次電池パック50には、図3に示すように、ケーシング内に薄い角形の電池セル1を複数個並設して配置されている。二次電池パック50には冷却風取り入れ口54と排出ダクト52が接続され、取り入れ口54から導入された冷却風により電池セル1が冷却される。二次電池パック50内に流入した冷却風は排出ダクト52を通って車外に排出される。電池セル1は、容器内圧が上昇すると開弁して容器内からガスを排出するが、このガスも冷却風と同じ流路を経由して排出ダクト52から車外に排出される。
図2〜図4に示すように、二次電池パック50は、底面に配置されたベースプレート3を有し、ベースプレート3上に、複数の二次電池の電池セル1が、車両前後方向に直列に配列されている。電池セル1は扁平直方体状であり、その厚さ方向を車両前後方向に沿って配置されている。
二次電池パック50には、ベースプレート3の前後端部で垂直に立ち上がる圧力板2A、2Bが設けられ、圧力板2A、2Bの上端部にトッププレート4が連結されている。さらに、二次電池パック50の側面にはセパレータ5A、5Bが設けられている。ベースプレート3、圧力板2A、2B、トッププレート4、セパレータ5A、5Bによって略直方体状の密封容器、すなわち、セル収容室が構成されている。
セパレータ5A、5Bは、それぞれ電池セルの並び方向に細長い矩形筒状の冷却風通路であり、セパレータ5A,5Bの内部には断面矩形の流路が形成されている。セパレータ5Aの前端部には、セパレータ5Aと同様の断面矩形の流路が形成された取込ダクト6Aおよび逆流防止装置7が順次接続され、取り入れ口54は逆流防止装置7の吸い込み側に接続されている。セパレータ5Bの後端部には、セパレータ5Bと同様の断面矩形の流路が形成された排出ダクト6Bが接続され、排出ダクト6Bの出口には動力ファン8が接続され、排出ダクト52は動力ファン8の排出側に接続されている。
図4を参照すると、セパレータ5A、5Bの内部の流路とセル収容室とを隔てる壁面には、流路と直交する上下方向に長い複数のスリットSA、SBが冷却風の流れる方向に並列して開口している。これによって、車室から、逆流防止装置7、取込ダクト6A、セパレータ5Aの内部、セパレータ5AのスリットSA、電池セル1の周囲、セパレータ5BのスリットSB、セパレータ5Bの内部、排出ダクト6B、動力ファン8、ダクト52を経て、車外に至る流路TFが形成されており、車室内から動力ファン8によって引き込まれた冷却風がこの流路TFを流れる。
冷却風はスリットSAからスリットSBに至る過程で、電池セル1の周囲を通過して、電池セル1を冷却する。この実施形態では、スリットSA、SBは、並置される電池セル1の間に対峙するように配列され、スリットSAから流出した冷却風は、電池セル1の隙間を円滑に通過して、スリットSBに流入する。複数のスリットSA、SBに分散して冷却風を流すことによって、全ての電池セル1について、略均等な流量の冷却風を供給すことができる。従って、効率的に冷却効果を確保することができる。
なお、セパレータ5A,5Bの上流から下流に並ぶスリットSA、SBを均等に冷却風が流れるように、下流ほどスリット面積を小さくするなどの措置を施すと、さらに電池セルの温度を均一化できる。
さらに流路TFにおける、電池セル1の周囲、セパレータ5BのスリットSB、セパレータ5Bの内部、排出ダクト6B、動力ファン8、ダクト52を経て、車外に至る部分は、電池セル1が放出したガスの排出に併用され、排出されたガスは、動力ファン8によって、速やかに車外に排出される。ガス排出時には、逆流防止装置7は遮断され、取り入れ口54からガスが車室内に流入することはない。
すなわち、流路TFを冷却風、ガスの両者に適用するので、流路TFは単純であり、二次電池パック50の構成を単純化することができる。また、以下に詳述する逆流防止装置7の存在によって、車室内へのガスの流入を完全に防止できる。
上述したように、第1の実施の形態の二次電池パックでは、複数の電池セル1はセル収容室内で一方向に並設して配置されている。取込ダクト6Aが入り口に接続されたセパレータ5Aは電池セル1の一側で一方向に延在し、この一方向に沿って所定間隔で取込側のスリットSAが設けられている。排出ダクト6Bが出口に接続されたセパレータ5Bは、電池セル1の他側で上記一方向に延在し、この一方向に沿って所定間隔で排出側スリットSBが設けられている。冷却風は、複数の取込側スリットSAからセル収容室に流入し、電池セル1との間で熱交換した冷却風は排出側スリットSBからセル収容室の外に排出される。
図4〜図6に示すように、逆流防止装置7は、取込ダクト6Aの前端部に挿入されつつ取込ダクト6Aに接続されたダクト7Dを有する。ダクト7Dの後端部には、ブレード状の逆止弁9が上下方向揺動自在に装着されている。逆止弁9は、その上端にヒンジ部9Aと、ヒンジ部9Aから下方に延在する矩形の弁体9Bとを有し、ヒンジ部9Aにおいて、ダクト7Dの後端の開口部7Mの上縁部に枢着されている。逆止弁9は、ヒンジ部9Aによって弁体9Bを揺動自在に支持しており、開口部7Mには流路と直交する弁座が形成され、弁体9Bは、自重による垂下状態では、開口部7Mの弁座に着座して開口部7Mを閉鎖している。
すなわち、逆流防止装置7は、取込ダクト6Aに向かって開口して弁座を有する開口部7Mと、開口部7Mを開閉する揺動自在な弁体9Bとを有する。弁体9Bは一端がヒンジ9Aで軸支された吊持構造であり、弁体9Bはその前後差圧に応じて開閉する。すなわち、前後差圧が無いときは弁体9Bは弁座に着座して開口部7Mを閉じ、下流側の圧力が低いときは弁体9Bが弁座から離れて開口部7Mを開くように構成されている。
動力ファン8が駆動されて、逆流防止装置7のダクト7D内に冷却風が取り込まれると、この冷却風によって弁体9Bは取込ダクト6A方向に押し込まれ、弁体9Bは下流方向に跳ね上げられ、開口部7Mが開放される(図5参照)。
一方、電池セル1に異常が生じてガスを放出したときには、そのガスによって電池セル1の周囲の圧力、すなわちセル収容室の内圧が上昇し、弁体9Bの下流方向への引き込みは停止する。さらに、この圧力は取込ダクト6A内に伝播し、弁体9Bをダクト7D方向、すなわち取り込み口54方向に押し、弁体9Bを開口部7Mの弁座に着座させる。これによって、開口部7Mは閉鎖され、ガスの車室内への流入は防止される(図6参照)。
弁体9Bの開放、閉鎖の応答性を高めるためには、逆止弁9は軽量であることが好ましく、また閉鎖状態(遮断状態)ではガス圧に対する充分な強度を有する必要がある。このため、逆止弁9は、例えば薄い金属板によって形成される。逆流防止装置7を備えたことによって、二次電池パック50は、ガスの車室内への流入を完全に防止することができる。
また、逆流防止装置7は、ダクト7Dにブレード状の逆止弁9を枢着した単純な構成であるので、流路TFの冷却風、ガス両者への併用と相まって、二次電池パック50の構成は単純である。
第1実施形態は、単純なダクト構造によって、二次電池から放出されるガスの車室内への流入を防止すことができる。さらに、ガス排出のために別段のダクトは不要なので、流路TFの配置、構成を含め、二次電池パックの構成、外形の自由度を大幅に拡張することができる。
[第2実施形態]
次に、本発明による二次電池パックの第2実施形態を、図7〜図9を参照して説明する。なお、図中、第1実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
第2実施形態は、ヒンジ部9Aに、回転軸9Cから所定半径のアーム部9Rを設け、アーム部9Rの先端部に弁体9Bを連結したものであり、第1実施形態同様、垂下状態において、弁体9Bは開口部7Mに設けた弁座に着座して開口部7Mを閉鎖する。
弁体9Bの重量はアーム部9Rを下方に回転させるモーメントを生じさせ、ガス放出に起因する圧力が生じたときに、高速で弁体9Bが回転する。これによって、開口部7Mを閉鎖する際の応答性が高まる。逆流防止装置7には、取込ダクト6A方向に揺動した弁体9Bに当接して、弁体9Bの揺動範囲を規制するストッパ9Sが設けられ、弁体9Bの過剰な揺動が防止されている。
冷却風導入時に、弁体9Bが過剰に揺動していると、開口部7Mを閉鎖する際の応答時間が長くなるが、ストッパ9Sによる揺動範囲規制によって、常に高い応答性が確保される。
ヒンジ部9Aにアーム部9Rを設けたことによって、ダクト7Dの外部、すなわち、ダクト7D上外面と取込ダクト6Aの上内面の間の空間7R内に回転軸9Cを配置することができ、ストッパ9Sもダクト7Dの上面より上方に配置できる。これによって、ヒンジ部9Aが冷却風の流れを阻害することはない。
第2実施形態は、第1実施形態の効果に加え、遮断時の応答性が高いという効果を奏する。
[第3実施形態]
次に、本発明による二次電池パックの第3実施形態を、図10〜図14を参照して説明する。なお、図中、第1実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
第3実施形態は、第1実施形態同様、ヒンジ部9Aを回転軸9Cのみよりなる単純な構成とし、一方、垂下状態において、弁体9Bが開口部7Mを確実に閉鎖するように、開口部7Mに、下方に向かって下流方向に傾斜する傾斜を与えている。すなわち、開口部7Mの弁座は、弁体9Bを吊持する一端側から自由端側に向かって流路下流側に傾斜されている。これによって、ガス放出時の閉鎖応答性を向上させる。
また、第2実施形態同様、逆流防止装置7には、取込ダクト6A方向に揺動した弁体9Bの下部に当接して、弁体9Bの揺動範囲を規制するストッパ9Sが設けられ、弁体9Bの過剰な揺動が防止されている。この点においても、ガス放出時の閉鎖応答性は高い。
第3実施形態は、第2実施形態と同様の効果に加え、逆止弁9の構成が単純であるという効果を奏する。
[第4実施形態]
次に、本発明による二次電池パックの第4実施形態を、図15、図16を参照して説明する。なお、図中、第1実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
第4実施形態は、第3実施形態同様、ヒンジ部9Aを回転軸9Cのみよりなる単純な構成とし、かつ、垂下状態において、弁体9Bが開口部7Mを閉鎖するように、開口部7Mに、下方に向かって下流方向に傾斜する傾斜を与えている。さらに、第4実施形態では、逆止弁9を開放するソレノイド(開放駆動手段)13と逆止弁9を開放するスプリング15を設けている。
図15、図16に示すように、回転軸9Cには、弁体9Bを閉鎖方向に付勢するスプリング15が装着され、ダクト7Dの外上面には、弁体9Bを開放方向に押すソレノイド13が装着されている。ソレノイド13は進退可能なピストン13Pを備え、ピストン13Pの先端部には、弁体9Bに向かって伸びるスライダ13Sが装着されている。スライダ13Sの先端部はブレード9Bに接している。ソレノイド13を励磁すると、スプリング15の弾性力に抗しつつ、ピストン13Pが進出し、スライダ13Sによって弁体9Bを開放方向に揺動する。一方、ソレノイド13を消磁すると、ピストン13Pは後退し、回転軸9Cは、スプリング15の弾性力によって閉鎖方向に揺動する。ソレノイド13およびヒンジ部9Aはカバー14によってカバーされ、塵埃等の付着が防止されている。これによって、逆流防止装置7の安定な動作が保証される。
逆止弁9の閉鎖に際しては、スプリング15の弾性力が作用し、また、開口部7Mが傾斜する弁座を有していることによって、応答性が極めて良好である。
図16に示すように、ソレノイド13には制御部170が接続され、ソレノイド13の励磁、消磁は制御部170によって制御される。制御部170には電池セル1の表面温度を検出する温度センサ172、電池セル1の出力電圧を検出する電圧センサ174、電池セル1の出力電流を検出する電流センサ176、二次電池パック50の内部の圧力を検出する圧力センサ178が接続され、制御部170は、これらセンサ172〜178の検出データに基づいてソレノイド13を制御する。
電池セル1の内部で短絡が生じたときには、出力電圧および出力電流が低下するとともに、表面温度が上昇する。また、短絡の結果、ガスが噴出したときは、二次電池パック50内の圧力が上昇する。また、電池セル1の内部で微少な短絡が生じたときには、出力電圧は変化せず、出力電流が低下する。さらに、制御部170は動力ファン8に接続され、動力ファン8の回転数を制御する。これによって、短絡が生じていない状態における電池セル1の過熱に対処することができる。
図17に示すように、制御部170は以下の各ステップによってソレノイド13および動力ファン8を制御する。図17の処理は、制御部170に格納したプログラムにより実行される。
ステップS1801において、センサ172〜178の検出データを取り込み、ステップS1802に進む。ステップS1802では、温度センサ172の検出データに基づいて、電池セル1の表面温度が安全範囲か否かを判断する。電池セル1の表面温度が安全範囲より高いと判定されると、ステップS1811において、ソレノイド13を消磁し、逆止弁9により流路を閉鎖して処理を終了する。
表面温度が安全範囲であれば、ステップS1803に進み、電池セル1の表面温度が安全範囲内の高い温度範囲か否かを判断する。ステップ1803において、電池セル1の表面温度が安全範囲内で高い温度であると判定されると、ステップ1804に進み、動力ファン8の回転数を高く設定し、冷却風による冷却効果を高める。電池セル1の表面温度が安全範囲内で高い温度ではないと判定されると、ステップ1805に進み、動力ファン8の回転数を標準の回転数に設定し、ステップS1806に進む。これによって、表面温度の異常に基づく逆流防止装置7の遮断が可能である。
ステップS1806では、圧力センサ178の検出データに基づいて、二次電池パック50内の圧力が異常か否かを判断する。圧力が異常であればステップS1811に進み、ソレノイド13を消磁し、逆止弁9により流路を閉鎖して処理を終了する。ステップ1806で圧力が異常ではないと判定されると、ステップS1807に進む。
ステップ1807では、電圧センサ174の検出データに基づいて、電池セル1の出力電圧が異常か否かを判断する。電圧が異常であれば、ステップS1811に進み、ソレノイド13を消磁し、逆止弁9により流路を閉鎖して処理を終了する。電池セル1の出力電圧が異常でなければステップS1808に進む。
ステップS1808では、電流センサ176の検出データに基づいて、電池セル1の出力電流が低下しているか否か判断する。出力電流が低下していると判断されているときは、ステップS1809に進み、電池セル1の出力電流が異常な範囲まで低下しているか否か判断する。異常な範囲まで低下していると判断されると、ステップS1811に進み、ソレノイド13を消磁し、逆止弁9により流路を閉鎖して処理を終了する。電池セル1の出力電流が異常な範囲まで低下していないと判定されると、ステップS1810に進み、電池セル1に微少な短絡が生じた可能性があることを示す警報を発し、処理を終了する。
第4実施形態は、第1実施形態と同様の効果に加え、スプリング15によって閉鎖時のより高い応答性を確保できる。また、センサ172〜178の多様な検出データに基づいて逆止弁9を閉鎖するので、すなわち、セル収容室の内圧がダクト7Dの入り口の圧力よりも高くなる条件を判定し、この判定結果にしたがって弁駆動装置であるソレノイド13により逆止弁9を開閉制御するようにしたので、ガス発生のような異常な事態を確実に検出してガスが車室内へ逆流することを確実に防止することができるという効果を奏する。さらに、電流低下の検出により、短絡の予兆をも検知することができるという効果も得られる。
[変形例]
以上の実施形態を以下のように変形して実施することもできる。
(1)実施の形態では、取込ダクト6Aの前段に1個の逆流防止装置を設けたが、取込ダクト6A内にさらに1個あるいは複数の逆流防止装置を設けてもよい。
(2)実施の形態では、排出ダクト6Bに設けられた動力ファン8によって冷却風を吸引して取り込んだが、取込ダクト6Aに冷却風を押し込む構成を採用することもできる。この場合、車室内の静音性を考慮すると、動力ファン8を車室から離間した位置に配置するのが好ましい。
(3)実施の形態では、開放駆動手段としてソレノイド13を採用したが、エアシリンダ、油圧シリンダ、リニアモータ、モータによって駆動されるリンク機構、その他多様な駆動手段を採用することができる。
(4)実施の形態では、扁平角形電池セルについて説明したが、円筒型二次電池による二次電池パックにも本発明を適用できる。
(5)セパレータ5A,5Bを電池セル1の左右側方にそれぞれ配置したが、上下面にそれぞれ配置してもよい。
(6)実施の形態では、車両の車室内から冷却風を取り込む構成について説明したが、放出ガス流入を防止すべき種々の環境で使用される二次電池パックに本発明を適用することができる。
1:電池セル 2A、2B:圧力板
3:ベースプレート 4:トッププレート
5A、5B:セパレータ 6A:取込ダクト
6B:排出ダクト 7:逆流防止装置
7D:ダクト 7M:開口部
8:動力ファン 9:逆止弁
9A:ヒンジ部 9B:弁体
9C:回転軸 9R:アーム部
9S:ストッパ 13:ソレノイド
13P:ピストン 13S:スライダ
14:カバー 15:スプリング
50:二次電池パック 52:ダクト
54:取り入れ口 170:制御部
172:温度センサ 174:電圧センサ
176:電流センサ 178:圧力センサ

Claims (6)

  1. 複数の電池セルが収納されるセル収容室と、
    前記セル収容室に冷却風を取り込む取込み通路と、
    前記冷却風および前記電池セルから放出されるガスを前記セル収容室から排出する排出通路と、
    前記取込み通路の入口に設けられ、前記セル収容室の内圧が前記取込み通路の入り口の圧力よりも高くなるときに前記ガスの逆流を防止する逆流防止装置とを備えていることを特徴とする二次電池パック。
  2. 請求項1記載の二次電池パックにおいて、
    冷却風を取り込むための動力ファンをさらに備え、
    前記逆流防止装置は、前記取込み通路の入口と前記セル収容室との間に設置された逆止弁を含み、
    前記逆止弁は、一端が軸支された吊持構造の弁体を有し、前記逆止弁の前後差圧に応じて、前記逆止弁の上流側の圧力が高いときは流路を開き、下流側の圧力が高いときは流路を閉じるように構成されていることを特徴とする二次電池パック。
  3. 請求項2記載の二次電池パックにおいて、
    前記動力ファンが停止して前記逆止弁の前後に差圧が発生していないときには、前記弁体はその自重で前記逆止弁の弁座に着座して流路を閉じるように構成されていることを特徴とする二次電池パック。
  4. 請求項3記載の二次電池パックにおいて、
    前記弁座は、前記弁体を吊持する一端側から自由端側に向かって流路下流側に傾斜されていることを特徴とする二次電池パック。
  5. 請求項1記載の二次電池パックにおいて、
    前記逆流防止装置は、前記取込み通路の入口と前記セル収容室との間に設置された逆止弁と、前記逆止弁を流路閉じ方向に付勢する付勢部材と、前記逆止弁を前記付勢部材の付勢力に抗して流路開き方向に駆動する弁駆動装置と、前記セル収容室の内圧が前記取込み通路の入り口の圧力よりも高くなる条件を判定し、この判定結果にしたがって前記弁駆動装置により前記逆止弁を開閉制御する制御部とを備えることを特徴とする二次電池パック。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項記載の二次電池パックにおいて、
    前記複数の電池セルは前記セル収容室内で一方向に並設して配置され、
    前記取込み通路は、前記電池セルの一側で冷却風の流れ方向に延在する取込み流路を有し、前記取込み流路と前記セル収容室を隔てる壁面には、前記冷却風の流れ方向に沿って所定間隔で取込側スリットが設けられ、
    前記排出通路は、前記電池セルの他側で冷却風の流れ方向に延在する排出流路を有し、前記排出流路と前記セル収容室を隔てる壁面には、前記冷却風の流れ方向に沿って所定間隔で排出側スリットが設けられ、
    前記取込み流路に導入された冷却風は、複数の取込側スリットから前記セル収容室に流入し、前記電池セルとの間で熱交換した冷却風は前記排出側スリットから前記排出流路に排出されるように構成したことを特徴とする二次電池パック。
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