JP2022094702A - 車載バッテリシステム - Google Patents

Abstract

【課題】車載バッテリシステムで用いられるバスバーであって、耐熱性に優れたバスバーを提供する。【解決手段】 車載バッテリシステムは、複数のリチウムイオンバッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、バッテリパック内においてバッテリモジュール同士を（又は、バッテリモジュールを電気部品に）電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えている。バスバー６は、端子が形成された導電性金属製のバスバー本体６０と、端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材６１とを備えている。絶縁部材６１の表面上には、熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層６２が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、複数のバッテリモジュールを収納したバッテリパックを備えた車載バッテリシステムに関するものである。

下記特許文献１は、複数のバッテリモジュールを収納したバッテリパックを備えた車載バッテリシステムを開示している。各バッテリモジュール内には、複数のバッテリセルが収納されている。特許文献１に開示されたシステムでは、バッテリモジュール同士を電気的に接続したり、バッテリモジュールを他の電気部品と電気的に接続したりするバスバーが用いられている。下記特許文献２は、バスバーを開示しており、バスバーの端子の間の中間部を耐熱性のある熱硬化性エラストマー（絶縁材）で被覆することも開示している。

現在、車載バッテリシステムには、ニッケル水素バッテリ又はリチウムイオンバッテリが用いられるのが一般的である。特に、内燃機関を備えずにバッテリに蓄えられた電力のみで走行するバッテリ電気自動車（ＢＥＶ）では、大容量のバッテリパックを搭載して長い航続距離を実現することが望まれる。このため、ＢＥＶでは、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリが用いられるのが一般的となっている。リチウムイオンバッテリは容量密度も高くバッテリパックの体積も減らせるので車載性が向上する。さらに、リチウムイオンバッテリは出力密度も優れているので、車両運動性能上からも望ましい。このようにリチウムイオンバッテリは、車載バッテリとして多くの利点を有しているので、ＢＥＶだけでなく内燃機関も備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）でも多く利用されている。上記特許文献１が開示しているのもリチウムイオンバッテリである。

特開２０１０－２７７８６３号公報 特開２０１２－１８２０４３号公報

バッテリパックの車両搭載性の関係で、バッテリパックの内部にはバッテリモジュールやその他の部品が高密度に収納されている。このため、バスバーの端子間の中間部には、短絡を防止するために絶縁チューブや絶縁カバーなどの絶縁部材が取り付けられている。また、高電圧の電流が流れるバスバーもあり、絶縁部材は、高電圧からの保護という目的もある。また、リチウムイオンバッテリのバッテリモジュールは、過熱時にモジュール内部で発生した高温のガスを外部に排出する構造を有している。従って、バッテリモジュールから排出された高温ガスがバッテリパック内に放出されると、バスバーに取り付けられた絶縁部材を熱損傷させてしまうことが懸念される。

本発明の目的は、耐熱性に優れたバスバーを備えた車載バッテリシステムを提供することにある。

本発明に係る車載バッテリシステムは、複数のバッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、バッテリパック内においてバッテリモジュール同士を（又は、バッテリモジュールと電気部品とを）電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えている。各バッテリモジュールは、複数のリチウムイオンバッテリセルを収納している。バスバーは、上述した端子が形成された導電性金属製のバスバー本体と、端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材とを備えている。絶縁部材の表面上には、熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層が形成されている。

本発明によれば、耐熱性に優れたバスバーを備えた車載バッテリシステムを提供することができる。

図１は、実施形態に係る車載バッテリシステムのバッテリパックの概略分解斜視図である。 図２は、上記バッテリパック内に収納されるバッテリモジュールの概略斜視図である。 図３は、上記バッテリパック内の一部分を示す一部断面斜視図である。 図４は、上記車載バッテリシステムのバスバーの断面図である（図３におけるＩＶ－ＩＶ線断面図）。 図５は、上記バスバーの膨張黒鉛層が膨張した状態を示す断面図である。 図６は、上記バスバーの変形例１を示す断面図である。 図７は、上記バスバーの変形例２を示す断面図である。 図８は、上記バスバーの変形例３を示す断面図である。

図面を参照しつつ、実施形態に係る車載バッテリシステムについて説明する。図１に示されるように、バッテリシステムは、複数のバッテリモジュール１を内部に収納したバッテリパック２を備えている。図２に示されるように、各バッテリモジュール１は、その内部に複数のリチウムイオンバッテリセル３を収納している。バッテリモジュール１は、その外面に接続端子４（図３参照）を有している。バッテリモジュール１は、この接続端子４により、他のバッテリモジュール１と電気的に接続されたり、他の電気部品と電気的に接続されたりする。

リチウムイオンバッテリは、過熱すると高温ガスを発生する。このため、バッテリモジュール１には、この高温ガスを排出するためのベントホール５が形成されている。図２では、ベントホール５はリチウムイオンバッテリセル３毎に設けられている。なお、ベントホール５は、リチウムイオンバッテリセル３で発生する高温ガスをバッテリモジュール１の外部に排出できればよく、バッテリモジュール１の内部構造にもよるが、リチウムイオンバッテリセル３毎に設けられなければならないというわけではない。

バッテリパック２は、図１に示されるように、上ケース２Ｕ及び下ケース２Ｌからなる構造を有している。上ケース２Ｕ及び下ケース２Ｌによって形成される内部空間に上述したバッテリモジュール１が複数収納されている。バッテリパック２は重量物であり、車両運動性能の観点から車両重心を低く設定するために車室フロア下に搭載される。また、ＢＥＶの場合は、十分な航続距離を得るためには多くのバッテリモジュール１を搭載する必要があるため、その体積も大きくなる。このため、バッテリパック２の内部には、できるだけ体積を小さくするために、バッテリモジュール１及び付随する電気部品が高密度に収容されている。

図３に、バッテリパック２の内部の一部を拡大して示す。図３に示されるように、バッテリモジュール１同士、又は、バッテリモジュール１と電気部品とを電気的に接続するために、バスバー６（６Ａ，６Ｂ）が用いられている。バスバー６Ａは、隣り合うバッテリモジュール１同士を直列に接続している。バスバー６Ｂは、直列接続された一組のバッテリモジュール１同士を接続したり、バッテリモジュール１を電子部品に接続したりする。

図３におけるＩＶ－ＩＶ線断面図である図４に示されるように、バスバー６は、電導率の高い導電性金属（銅）で形成されたバスバー本体６０を備えている。バスバー本体６０は、その両端に端子６０Ｔ（図３参照）を備えており、端子６０Ｔを介してバッテリモジュール１や電気部品と電気的に接続される。図３において、バスバー６Ａの端子６０Ｔは、バッテリモジュール１の上述した接続端子４に接続されており、その接続部は短絡防止のためにカバーで保護されている。バスバー６Ｂの端子６０Ｔは、バスバー６Ｂを下方より支持する、熱硬化性樹脂製の支持部材７（７Ｂ）の内部で電子部品などの他の接続端子と接続されている（図３中左側の支持部材７Ｂ参照）。この接続部は、短絡防止のために支持部材７の内部に配置されている。

バスバー６Ｂは、その端部だけでなく、その他の部分でも支持部材７Ｂによって下方より支持されている（図３中右側の支持部材７Ｂ参照）。なお、図４は、図３におけるＩＶ－ＩＶ線断面図であり、バスバー６Ｂの断面図であるが、バスバー６Ａも同様の断面を備えている。また、バスバー６（６Ａ，６Ｂ）は、端子６０Ｔを少なくとも二つ有しており、端子６０Ｔを三つ以上備えていてもよい。隣接する二つの端子６０Ｔの間の中間部は、後述する絶縁部材６１によって短絡防止のために覆われている。また、端子６０Ｔは、バスバー本体６０（バスバー６）の両端に設けられなければならないというわけではない。

上述したように、バスバー本体６０の隣接する二つの端子６０Ｔ（本実施形態ではバスバー本体６０の両端の端子６０Ｔ）の間の中間部は、絶縁部材６１によって覆われている。絶縁部材６１は、中間部の表面を覆っており、他の部品との短絡を防止する。本実施形態の絶縁部材６１は、熱硬化性樹脂製の第一カバー６１ａ及び第二カバー６１ｂで構成されている。第一カバー６１ａ及び第二カバー６１ｂは、バスバー本体６０を挟んで互いに嵌合されることで、中間部を電気的に保護する絶縁部材６１を形成する。このように絶縁部材６１を管状ケースとして構成することで、バスバー本体６０に絶縁部材６１を容易に取り付けることができる。なお、絶縁部材６１は、ケースとしてではなく、耐熱性のある樹脂製やゴム製のチューブとして形成されてもよい。

図４に示されるように、絶縁部材６１の表面上には熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層６２が形成されている。本実施形態では、熱膨張性黒鉛を含む可撓性のシート材を形成し、このシート材を絶縁部材６１の表面に貼り付けることで、膨張黒鉛層６２が形成されている。膨張黒鉛層６２は、絶縁部材６１の外周面上に形成されており、管状の絶縁部材６１の端面や内周面上には形成されない。また、膨張黒鉛層６２は、絶縁部材６１の外周面の全てを覆い尽くさなければならないわけではなく、例えば、端子６０Ｔ近傍（即ち、絶縁部材６１の端部近傍）には形成されなくてもよい。

熱膨張性黒鉛は、鱗片状黒鉛の層間に酸化剤を挿入したものであり、急熱されると酸化剤が燃焼してガス化し、ガスによって層と層とが押し広げられる。このため、熱膨張性黒鉛は、層の積層方向に膨張する。膨張開始温度は、百数十度～二百数十度であり、酸化剤の種類によって調整可能である。その膨張率も酸化剤によって調整可能である。熱膨張性黒鉛は、樹脂やゴムへのフィラー（特性を変えるための添加剤）として使用することも可能である。上述したように、リチウムイオンバッテリセル３が過熱により高温ガスを発生すると、その高温ガスはベントホール５を通ってバッテリモジュール１の外部、かつ、バッテリパック２の内部に排出される。従って、バスバー６の膨張黒鉛層６２は、高温ガスの持つ熱により図５に示されるように膨張する。

膨張した膨張黒鉛層６２は、内部に微小な隙間を多数有する多孔体や発泡体のような構造となり、断熱材として機能する。その結果、絶縁部材６１が高温ガスの熱に暴露されるのが防止され、絶縁部材６１が熱損傷してバスバー本体６０が露出することが防止される。なお、上述したように、絶縁部材６１は、一般的に熱可塑性樹脂よりも耐熱性に優れている熱硬化性樹脂によって形成されている。しかし、熱硬化性樹脂の種類にもよるが、リチウムイオンバッテリセル３の過熱により発生する高温ガスの温度は、熱硬化性樹脂の耐熱温度を超える場合がある。従って、このように、膨張黒鉛層６２を膨張させることで絶縁部材６１を高温ガスから保護することができる。

ここで、膨張黒鉛層６２は、絶縁部材６１の表面に形成させるだけであるので、バスバー６の製造を大きく難しくすることはない。また、通常時は、膨張黒鉛層６２は、絶縁部材６１の表面に形成されているだけであり、バスバー６のサイズなどをことさら大きくするものではなく、内部に部品が高密度に収納されるバッテリパック２の設計自由度を低下させることもない。膨張黒鉛層６２は、リチウムイオンバッテリセル３が過熱により高温ガスを発生したときのみ膨張して、絶縁部材６１を高温ガスから保護するという機能を発揮する。この結果、バスバー本体６０が露出して短絡（特に地絡）することを確実に防止することができる。

次に、膨張黒鉛層６２の形成形態についての変形例について説明する。まず、図６に示される変形例１では、膨張黒鉛層６２が、絶縁部材６１と同じように管状ケースとして構成されている。即ち、本変形例では、膨張黒鉛層６２が、第一カバー６２ａ及び第二カバー６２ｂで構成されている。第一カバー６２ａ及び第二カバー６２ｂは、絶縁部材６１を挟んで互いに嵌合されることで、絶縁部材６１を保護する膨張黒鉛層６２を形成する。

上述したように、熱膨張性黒鉛は、フィラーとして使用することができる。従って、フィラーとして熱膨張性黒鉛を混ぜた樹脂を用いて、第一カバー６２ａ及び第二カバー６２ｂを射出成形することができる。なお、射出成形時の温度では膨張しない熱膨張性黒鉛が使用される。このように膨張黒鉛層６２をケース状に構成することで、絶縁部材６１を覆うように第一カバー６２ａ及び第二カバー６２ｂを取り付けることで、膨張黒鉛層６２を容易に形成することができる。

次に、図７に示される変形例２では、膨張黒鉛層６２が、絶縁部材６１の第一カバー６１ａ及び第二カバー６１ｂと一体成形されている。第一カバー６１ａを射出成形する際に、まず、熱膨張性黒鉛を含まない樹脂でバスバー本体６０と接する部分を射出成形する。その後、射出成形された部分を金型内にセットした状態で、熱膨張性黒鉛を含む樹脂で膨張黒鉛層６２を射出成形（金型成形）する。第二カバー６１ｂについても同様に成形する。即ち、インサート成形によって、絶縁部材６１と膨張黒鉛層６２とを一体成形する。なお、膨張黒鉛層６２を成形した後に、この成形された膨張黒鉛層６２に対してバスバー本体６０と接する部分を一体成形してもよい。

なお、第一カバー６１ａと第二カバー６１ｂとの嵌合面には膨張黒鉛層６２は形成されない。熱膨張性黒鉛及び膨張後の熱膨張性黒鉛（以下、膨張化黒鉛と呼ぶ）は、導電性を有する。従って、熱膨張性黒鉛や膨張化黒鉛は、端子６０Ｔを含むバスバー本体６０に直接接しないように配置される。このように、絶縁部材６１及び膨張黒鉛層６２がインサート成形により一体化されていると、部品数が減り、かつ、一度の取り付け操作によって絶縁部材６１及び膨張黒鉛層６２をバスバー本体６０に対して形成することができる。また、絶縁部材６１及び膨張黒鉛層６２がインサート成形されているため、膨張黒鉛層６２内の熱膨張性黒鉛が膨張しても、膨張黒鉛層６２が絶縁部材６１から剥離したり脱落したりすることがない。この結果、絶縁部材６１が膨張黒鉛層６２によって確実に保護される。

次に、図８に示される変形例３について説明する。上述したように、バッテリモジュール１には、高温ガス排出用のベントホール５が形成されている。従って、膨張黒鉛層６２のベントホール５に面する部分が最も高温ガスに曝されることになる。そこで、本変形例では、バスバー６Ｂの膨張黒鉛層６２のベントホール５に面する部分６２Ｘ（図３に示されるように膨張黒鉛層６２の下面）の層厚さが、その他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１を保護することができる。

また、上述したように、バスバー６Ｂは、支持部材７Ｂによって下方より支持されている。ここで、支持部材７Ｂが高温ガスで熱損傷した場合、バスバー６Ｂは支持を失うことになる。この場合、バスバー６Ｂの支持部材７Ｂの近傍が重力で下方に変位して、バスバー本体６０が他の部品等と接触して短絡（地絡）する可能性が生じる。本実施形態（及びその変化例）では、膨張黒鉛層６２と、この膨張黒鉛層６２によって保護された絶縁部材６１とによってバスバー本体６０が保護されているため、このようなことは生じない。

しかし、このような場合に他の部品等と接触する部分の膨張黒鉛層６２の層厚さをその他の部分の層厚さよりも厚くしておくことで、より確実に絶縁部材６１及びバスバー本体６０を保護することができる。そこで、本変形例の膨張黒鉛層６２では、支持部材７Ｂ近傍の下面部分６２Ｘの層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１及びバスバー本体６０を保護することができる。

なお、ここでは、バスバー６Ｂを例に説明したが、バスバー６Ａに関しても同様である。例えば、図３に示される部材７Ａが、バスバー６Ａを下方より支持する支持部材として機能する場合を考える。この場合、バスバー６Ａに関しても、膨張黒鉛層６２の支持部材７Ａの近傍の下面部分６２Ｘの層厚さをその他の部分の層厚さよりも厚くすることで、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１及びバスバー本体６０を保護することができる。

以上、実施形態（及びその変形例１～３）について説明したが、上記実施形態に係る車載バッテリシステムでは、そのバスバー６が、絶縁部材６１と膨張黒鉛層６２とを備えている。絶縁部材６１は、導電性金属で形成されたバスバー本体６０の（少なくとも）二つの端子の間の中間部の表面を覆う。膨張黒鉛層６２は、熱膨張性黒鉛を含んでおり、絶縁部材６１の表面上に形成される。このため、リチウムイオンバッテリセル３の過熱により高温ガスがバッテリパック２の内部に充満すると、膨張黒鉛層６２に含まれた熱膨張性黒鉛が膨張する。従って、膨張した膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１が高温ガスの熱に暴露されるのが防止され、絶縁部材６１が熱損傷してバスバー本体６０が露出することが防止される。即ち、上記実施形態（及びその変形例１～３）に係る車載バッテリシステムによれば、耐熱性に優れたバスバー６を備えた車載バッテリシステムを提供することができる。

ここで、高温ガスは、ベントホール５を通ってバッテリモジュール１の外部、かつ、バッテリパック２の内部に排出される。上記実施形態の変形例３（図８）によれば、膨張黒鉛層６２では、ベントホール５に面する部分の層厚さがその他の部分６２Ｘの層厚さよりも厚くされている。膨張黒鉛層６２のベントホール５に面する部分６２Ｘが最も高温ガスに曝されることになるが、当該部分の層厚さが厚くされているので、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１を保護することができる。なお、「ベントホールに面する部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている」とは、ベントホールに面する面にのみ膨張黒鉛層が形成される（その他の面には形成されない）ことを含む。

また、上記実施形態では、樹脂によって形成された絶縁部材６１が支持部材７によって支持されている。支持部材７が高温ガスの熱によって熱損傷して膨張黒鉛層６２（即ち、膨張黒鉛層６２を備えたバスバー６）が支持を失うと、バスバー６の支持部材７近傍の部分が重力によって下方に変位する可能性がある。しかし、上記実施形態の変形例３（図８）によれば、膨張黒鉛層６２では、支持部材７近傍の下面部分６２Ｘの層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている。このため、バスバー６の支持部材７近傍の部分が重力により下方に変位して膨張黒鉛層６２の下面部分６２Ｘが他の部品等と接触しても、当該部分６２Ｘの層厚さが厚くされている。従って、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１及びバスバー本体６０が保護され、当該部分６２Ｘでの短絡（地絡）の発生が確実に防止される。なお、「支持部材近傍の下面部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている」とは、支持部材近傍において下面にのみ膨張黒鉛層が形成される（その他の面には形成されない）ことを含む。

さらに、上記実施形態の変形例２によれば、樹脂製の管状ケース状の絶縁部材６１と、熱膨張性黒鉛をフィラーとして混入した樹脂で形成される膨張黒鉛層６２とがインサート成形により一体化されている。このため、部品数が減り、かつ、一度の取り付け操作によって絶縁部材６１及び膨張黒鉛層６２をバスバー本体６０に対して形成することができる。また、膨張黒鉛層６２内の熱膨張性黒鉛が膨張しても、膨張黒鉛層６２が絶縁部材６１から剥離したり脱落したりすることがないので、絶縁部材６１は膨張黒鉛層６２によって確実に保護される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、バスバー６Ｂの下方にベントホール５が位置しているため、バスバー６Ｂの膨張黒鉛層６２の下面部分（ベントホール５に面する部分）６２Ｘの層厚さが厚くされた。しかし、膨張黒鉛層６２のベントホール５に面する部分が下面でなく側面であるような場合は、側面の層厚さが厚くされればよい。

また、上記実施形態では、支持部材７はバスバー６を下方から支持している。しかし、支持部材７は、側方や上方からバスバー６（膨張黒鉛層６２）を支持してもよい。そのような場合も、支持部材７の熱損傷によってバスバー６（膨張黒鉛層６２）が支持を失うと、バスバー６（膨張黒鉛層６２）の支持部材７近傍の部分が重力によって下方に変位し得る。その場合も、膨張黒鉛層６２の下面部分６２Ｘの層厚さが厚くされているので、より確実に、膨張黒鉛層６２によって絶縁部材６１及びバスバー本体６０を保護することができる。

１ バッテリモジュール
２ バッテリパック
３ リチウムイオンバッテリセル
５ ベントホール
６（６Ａ，６Ｂ） バスバー
６０ バスバー本体
６０Ｔ 端子
６１ 絶縁部材
６２ 膨張黒鉛層
６２Ｘ （膨張黒鉛層６２の）ベントホール５に面する部分／下面部分
７（７Ａ，７Ｂ） 支持部材

Claims (4)

1. 内部に複数のリチウムイオンバッテリセルを収納したバッテリモジュールと、
   複数の前記バッテリモジュールを内部に収納したバッテリパックと、
   前記バッテリパック内において、前記バッテリモジュール同士を電気的に接続する、又は、前記バッテリモジュールを電気部品に電気的に接続する、少なくとも二つの端子を有するバスバーと、を備えた車載バッテリシステムにおいて、
   前記バスバーが、
   導電性金属で形成された、前記二つの端子が形成されたバスバー本体と、
   前記バスバー本体の前記二つの端子の間の中間部の表面を覆う絶縁部材と、
   前記絶縁部材の表面上に形成された熱膨張性黒鉛を含む膨張黒鉛層と、を備えている車載バッテリシステム。
2. 前記バッテリモジュールが、過熱時に内部の高温ガスを排出するベントホールを有しており、
   前記膨張黒鉛層では、前記ベントホールに面する部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている、請求項１に記載の車載バッテリシステム。
3. 前記絶縁部材が、樹脂により形成されており、かつ、支持部材によって支持されており、
   前記膨張黒鉛層では、前記支持部材近傍の下面部分の層厚さがその他の部分の層厚さよりも厚くされている、請求項１又は２に記載の車載バッテリシステム。
4. 前記絶縁部材が、管状ケースとして樹脂により金型形成されており、
   前記膨張黒鉛層が、前記熱膨張性黒鉛をフィラーとして混入した樹脂により金型成形されており、
   前記絶縁部材及び前記膨張黒鉛層がインサート成形により一体化されている、請求項１～３の何れか一項に記載の車載バッテリシステム。

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