JP6296360B2 - 電池ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、例えば電動車両等の移動体に搭載される電池ユニットに関する。
従来、例えば特許文献1には、車両用の電源装置が開示されている。この電源装置は、安全弁を備える複数の素電池からなる電池ブロックと、この電池ブロックを構成する素電池の安全弁の開口部に連結されて、開弁する安全弁からの排出物を排出する排気ダクトと、電池ブロックに接続されて素電池の充放電を制御する制御機器とを備える。電池ブロックは、安全弁の開口部を同一面に位置するように素電池を配列している。また、電源装置は、安全弁の開口部が位置する電池ブロックの安全弁開口面と対向して制御機器を配設している。さらに、電源装置は、この制御機器と安全弁開口面との間に排気ダクトを配置して、排気ダクトでもって、電池ブロックと制御機器とを断熱している。そして、特許文献1には、このような電源装置によれば、外形を小さくして電池ブロックの出力を大きくしながら、制御機器を電池ブロックの熱から断熱して配置することができると述べられている。
上記特許文献1に記載の車両用の電源装置は、フレーム構造体によって車両を構成するシャーシフレームに固定されている。しかしながら、電源装置の排気ダクトと電源装置の車両への取付構造とが別の構造として設けられている点で更なる小型化のための工夫の余地がある。
本発明に係る電池ユニットは、互いに並列接続された複数の電池セルをそれぞれ含み、各々電池セルから噴出したガスを排気するダクト室をそれぞれ有する複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールを一体的に組み合わせた状態で収納ケースの壁部に固定する固定部材と、を備える電池ユニットであって、固定部材は収納ケースに取り付けられる第1取付部を有し、該第1取付部は各電池モジュールのダクト室に噴出したガスを集合させて排気するための排気ダクトを含むものである。
本発明に係る電池ユニットによれば、複数の電池モジュールを備える電池ユニットを収納ケースの壁部に固定する固定部材に、複数の電池モジュールの固定機能と電池セルから噴出したガスの排気機能とを持たせることで、これらの機能を別々の構造体で実現する場合に比べて、電池ユニットを小型にでき、その結果、搭載スペースが限られる車両に搭載されたときの省スペース化を図ることができる。
以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
図1は、本発明の一実施形態である電池ユニット20の全体を示し斜視図である。図2は、図1の電池ユニット20の分解斜視図である。また、図3は、図1の電池ユニット20がモジュールケース(収納ケース)50内に収納および固定された状態を示す一部断面を含む側面図である。図1および図2では互いに直交する3軸方向として、高さ方向H、長さ方向L、幅方向Wが示されている。高さ方向Hは、電池ユニット20が水平面上に設置されたときの上下方向または鉛直方向である。また、長さ方向Lおよび幅方向Wは水平面内で互いに直交する方向であるが、ここでは電池ユニット20に含まれる電池モジュール22の寸法が長い方を長さ方向L、短い方を幅方向Wとした。以下の図においても同様である。
図1および図2を参照すると、電池ユニット20は、複数の電池モジュール22と、固定部材24と、電装部品収納ケース26とを備える。本実施形態では、5つの電池モジュール22が整列配置された状態で一体に組み合わされて電池ユニット20を構成している。なお、電池ユニット20を構成する電池モジュール22の数は、上記のような5つに限定されるものではなく、電池ユニット20に要求される出力や容量に応じて適宜変更されるものである。
各電池モジュール22は、電池ユニット20を構成する電池の最小単位である電池セル2(図4参照)を複数並列に接続してなる電池ブロック1(図4参照)を複数個直列または並列に接続して構成される。本実施形態では、例えば2つの電池ブロック1が直列に接続されて電池モジュール22が構成されている。ただし、電池モジュール22に含まれる電池ブロック1の数は、電池ユニット20に要求される出力や容量に応じて適宜に変更可能であり、3つ以上であってもよい。
ここで、図4及び図5を参照して、電池ブロック1の構成について説明する。図4は、電池ユニット20を構成する複数の電池モジュール22にそれぞれ含まれる電池ブロック1を示す斜視図である。また、図5は、電池ユニット20を構成する1つの電池モジュール22の図1中のA−A線断面図である。
本実施形態における電池ユニット20の各電池モジュール22は、上述したように図4に示す電池ブロック1が2つ直列に接続されたものを含む。電池ブロック1は、複数の電池セル2を並列接続して所定の容量を得るようにしたものである。ここでは、20個の電池セル2を用いた例が示される。電池ブロック1は、20個の電池セル2について各正極側を一方側に揃え各負極側を他方側に揃えて所定の配置関係で整列配置し、電池セルケース3に収納して保持し、正極側に正極側集電部4を配置し、負極側に負極側集電部5を配置し、ホルダ6,7を介して適当な締結部材等で正極側集電部4と負極側集電部5を締結したものである。
電池セル2は、電池ユニット20を構成する電池の最小単位となる充放電可能な二次電池である。二次電池としては、リチウムイオン電池が用いられる。これ以外に、ニッケル水素電池、アルカリ電池等を用いてもよい。電池ブロック1に含まれる20個の電池セル2は、隣接する電池の間の隙間を最小にする千鳥型の配置関係とされ、幅方向Wに3列の電池列が配置され、それぞれの電池列は、長さ方向Lに沿って、7個、6個、7個の電池セル2が配置されている。
電池セル2は、円筒形の外形を有する。円筒形の両端部のうち一方端が正極端子、他方端が負極端子として用いられる。本実施形態では、図5に示す電池セル2の上端に正極端子が設けられ、下端に負極端子が設けられている。電池セル2の一例を挙げると、それぞれは、直径が18mm、高さが65mm、端子間電圧が3.6V、容量が2.5Ahのリチウムイオン電池である。これは説明のための例示であって、これ以外の寸法、特性値であってもよい。なお、電池セル2は円筒形の電池に限らず、他の外形を有する電池、例えば角形電池であってもよい。
電池セル2は、正極端子側に安全弁13を有する。安全弁13は、電池セル2の内部で行われる電気化学反応によって発生するガスの圧力が予め定めた閾値圧力を超えたときに、電池内部から内部に排ガスとして放出する機能を有する。
電池セルケース3は、20個の電池セル2を所定の配置関係で整列配置して保持する保持容器である。電池セルケース3は、電池セル2の高さと同じ高さを有し、高さ方向Hの両端側がそれぞれ開口する20個の貫通孔形状の電池収納部が設けられる枠体で、それぞれの電池セル2は電池収納部の1つに収納配置される。
電池収納部の配置は、電池セル2の配置関係に対応して、千鳥型の配置関係とされる。すなわち、幅方向Wに3列の電池収納部が配置され、それぞれの電池収納部列は、長さ方向Lに沿って、7個、6個、7個の電池収納部を有する。かかる電池セルケース3としては、アルミニウムを主材料として、押出成形によって所定の形状としたものを用いることができる。
電池セルケース3において、20個の電池セル2は、電池収納部に収納配置される際に、電池セル2の各正極側が一方側に揃えられ、各負極側が他方側に揃えられる。図5では、一方側は高さ方向Hに沿って紙面の上方側で、他方側は高さ方向Hに沿って紙面の下方側である。
正極側集電部4は、電池セルケース3の一方側の開口を塞ぐように配置されて、整列配置された電池セル2の正極側をそれぞれ電気的に接続する接続部材である。正極側集電部4は、正極側絶縁板10、正極集電体11、正極板12で構成される。
正極側絶縁板10は、電池セルケース3と正極集電体11、正極板12との間に配置され、これらの間を電気的に絶縁する板材である。正極側絶縁板10には、電池セル2の正極電極を突き出させる20個の円形等の開口が設けられる。かかる正極側絶縁板10としては、所定の耐熱性と電気絶縁性とを有するプラスチック成型品またはプラスチックシートを所定の形状に加工したものが用いられる。
正極集電体11は、電池セル2の正極電極にそれぞれ個別に接触する位置関係で配置される20個の電極接触部を有する薄板である。かかる正極集電体11としては、電気的導電性を有する金属薄板について、エッチングまたはプレス加工等によって、周囲に略C字状の切欠部が形成された所定形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。
正極板12は、正極集電体11と電気的に接続され、20個の電極接触部を相互接続して1つの正極側出力端子とする電極板である。かかる正極板12としては、電気的導電性を有し、適当な厚さと強度を有する金属薄板を用いることができる。正極板12としては、金属薄板についてエッチングまたはプレス加工等で、円形等の開口が形成された所定形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。
負極側集電部5は、電池セルケース3の他方側の開口に配置され、整列配置された電池セル2の負極側をそれぞれ電気的に接続する接続部材である。負極側集電部5は、負極側絶縁板16、負極集電体17、負極板18で構成される。
負極側絶縁板16は、電池セルケース3と負極集電体17、負極板18との間に配置され、これらの間を電気的に絶縁する板材である。負極側絶縁板16には、電池セル2の負極電極を露出させる20個の円形等の開口が設けられる。かかる負極側絶縁板16としては、所定の耐熱性と電気絶縁性とを有するプラスチック成型品またはプラスチックシートを所定の形状に加工したものが用いられる。
負極集電体17は、電池セル2の負極電極にそれぞれ個別に接触する位置関係で配置される20個の電極接触部を有する電極部材である。かかる負極集電体17としては、電気的導電性を有する金属薄板について、エッチングまたはプレス加工等によって、所定の形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。また、負極集電体17の電極接触部には、電池セル2に過電流が流れることで予め定めた閾値温度を超えるときに溶断する電流遮断素子を設けてもよい。
負極板18は、負極集電体17と電気的に接続され、20個の電極接触部のそれぞれを相互接続して1つの負極側出力端子とする電極板である。かかる負極板18としては、電気的導電性を有し、適当な厚さと強度を有する金属薄板を、エッチングまたはプレス加工等で、円形等の開口が形成された所定形状の電極接触部を形成したものを用いることができる。
ホルダ6,7は、電池セルケース3の一方側に配置される正極側集電部4と他方側に配置される負極側集電部5を、例えばボルト等の締結部材を用いて締結し、電池セルケース3、正極側集電部4、負極側集電部5と共に、全体として一体化するための部材で、絶縁材料で構成される。
上記のような構成を有する電池ブロック1を2つ準備して横並びで配置し、一方側の電池ブロック1の正極板12の先端部と、他方側の電池ブロック1の負極板18の先端部とを、溶接等の接続固定方法で互いに電気的および機械的に接続する。これにより電池モジュール22が構成される。
図5に示すように、電池モジュール22は、上方に開口する例えば樹脂製のケース部材15に収容されている。また、電池モジュール22の上部はカバー部材8,9によって覆われている。カバー部材8,9の内側には、空間からなるダクト室14が形成されている。ダクト室14は、安全弁13が設けられた電池セル2の正極端子に開口および切欠部を介して臨んでいる。これにより、電池セル2の安全弁13が作動したとき、電池セル2から噴出したガスはダクト室14に流れ出るように構成されている。
カバー部材8は、カバー部材9の内側に配置されている。カバー部材8は、例えば比較的耐熱性が高い金属材料によって形成されている。これにより、電池セル2から噴出した高温(例えば400℃程度)のガスに晒されても変形および溶融しないように構成されている。一方、カバー部材9は、カバー部材8の外側を覆って配置されている。カバー部材9は、比較的耐熱性が低い例えば樹脂材料によって形成されている。
カバー部材8,9は、例えばボルト、ねじ、リベット等の適当な締結手段によって、電池モジュール22に含まれる電池ブロック1の電池セルケース3の上面に固定されている。これにより、電池セル2から噴出したガスが電池モジュール22とカバー部材8,9との間から漏れ出ないようにしている。
図1ないし図3を参照すると、電池モジュール22の上部を覆ってダクト室14を形成するカバー部材8は、1つの電池モジュール22について2つに分かれており、長さ方向Lに関して電池モジュール22の両端部側に配置されている。これに対し、カバー部材8の外側を覆って設けられるカバー部材9は、1つの電池モジュール22に対して1つの部材として形成されているが、長さ方向Lの中央上部に開口部が形成されるとともに連結リブ9aが略矩形状に切り欠かれて細く形成された部分を有している。
このようにカバー部材8,9が形成されることで電池ユニット20の各電池モジュール22の上部に組み付けられたとき、電池ユニット20の長さ方向Lの中央部には各電池モジュール22のダクト室14に連通するとともに電池ユニット20の幅方向Wにわって延びる空間からなる集合ダクト部30が形成されることになる。
なお、上記においてはダクト室14を形成するために2つのカバー部材8,9を電池モジュール22の上部に配置するとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、内側のカバー部材8を省略するとともに、外側のカバー部材9を比較的耐熱性の高い金属材料で形成してもよい。
固定部材24は、図3に示すように、電池ユニット20をモジュールケース50の壁部に固定する機能、および、電池ユニット20の電池セル2から発生したガスをモジュールケース50の外部に放出する排気機能を有する。また、固定部材24は、電池ユニット20を構成する各電池モジュール22に跨ってボルト等により固定されているため、各電池モジュール22を一体的に組み合わせた状態で拘束および固定する機能を有している。
固定部材24は、電池ユニット20の集合ダクト部30の上方を覆って設けられる平板部25と、平板部25の上面に突出してそれぞれ立設される排気ダクト部32、第1取付部36および第2取付部40を備える。また、固定部材24は、伝熱性が良好な材料である金属板によって形成されている。ただし、これに限定されるものではなく、固定部材24は、例えばシリカ、金属粉等のフィラーを混入することで伝熱性を改善した樹脂材料によって形成されてもよい。
固定部材24は、各電池モジュール22のカバー部材9にそれぞれ形成された開口部を覆うようにして、複数(本実施形態では5つ)の電池モジュール22に跨って連結されている。具体的には、固定部材24の平板部25は、例えば、ボルト、ねじ、リベット等の適当な締結手段によって、電池モジュール22に含まれる電池ブロック1の電池セルケース3に固定されている。これにより、集合ダクト部30が閉じられ、各電池モジュール22に含まれる電池セル2から噴出したガスがダクト室14を介して流入する集合ダクトとして機能する。この意味において、固定部材24は集合ダクト形成部材ともいえる。なお、集合ダクト部30から長さ方向Lの両側に分岐して連通する各電池モジュール22のダクト室14を形成するカバー部材8,9は、分岐ダクト形成部材であるともいえる。
固定部材24の排気ダクト部32は、その内部にガス流路となる空間を有する。排気ダクト部32の先端には、フランジ部34が設けられている。このフランジ部34には図示しない貫通孔(または雌ねじ孔)が複数形成されている。これらの貫通孔に挿通されるボルト等によってフランジ部34がモジュールケース50の上壁52に締結されることにより、固定部材24がモジュールケース50に固定される。その結果、電池ユニット20が固定部材24を介してモジュールケース50に対して固定される。なお、排気ダクト部32のフランジ部34が、本発明における「排気ダクトを含む取付部」に相当する。
また、固定部材24の第1および第2取付部36,40は、上端部が水平方向に沿って折り曲げられた取付座部37,41を有している。これらの取付座部37,41には、図示しない貫通孔(または雌ねじ孔)が形成されている。そして、これらの貫通孔にボルト等が挿通されて締め付けられることにより、固定部材24がモジュールケース50の上壁52に固定される。その結果、電池ユニット20が固定部材24を介してモジュールケース50に固定される。なお、第1取付部36および第2取付部40が、本発明における「排気ダクトを含まない取付部」に相当する。
固定部材24において、第1取付部36と第2取付部40とは所定の距離だけ離れて設けられている。ここで「所定の距離」は電装部品収納ケース26を固定できるだけの距離であればよく、具体的には電装部品収納ケース26の幅方向Wの長さよりも少し長い距離であれば足りる。また、第1取付部36および第2取付部40には、互いに対向する側面上で固定部材24の平板部25の上方に少し離れた位置に取付座部38,42がそれぞれ溶接等によって固定されている。そして、これらの取付座部38,42には、電装部品収納ケース26がねじ留め等の方法によって取り付けられている。
電装部品収納ケース26には、電池ユニット20構成する電池モジュール22に含まれる電池セル2の充放電を制御するための回路基板や、電池モジュール22の図示しない出力端子側に接続されるコンダクタを内蔵するジャンクションボックスなど含まれる。図3に示すように、電装部品収納ケース26は、隙間27を介して固定部材24の平板部に配置されている。このように配置することで、固定部材24の熱が電装部品収納ケース26に伝わるのを抑制して、内部の電装部品が熱的損傷を受けないようにしている。
図3に示すように、モジュールケース50の上壁52には、排気ダクト部32の接続位置に排気口53が形成されている。そして、排気口53には、電池ユニット20が搭載される装置である例えば電動車両側の排気ダクト54が連結されている。これにより、電池ユニット20から排気ダクト部32を介して排出されたガスが車両外部へと放出されるように構成されている。
また、モジュールケース50内において電池ユニット20は、モジュールケース50の底壁56に設置したブラケット58によって固定および支持されている。これにより、モジュールケース50における電池ユニット20の固定状態がより安定したものになる。
ブラケット58は、例えば樹脂等の絶縁性材料によって形成されている。これにより、モジュールケース50が例えば金属板等の導電性材料によって形成される場合に、電池ユニット20とモジュールケース50との間での絶縁性を確保することができる。ただし、これに限定されるものではなく、ブラケット58は、金属製の部材として形成されてもよい。また、電池ユニット20を固定部材24の排気ダクト部32、第1取付部36および第2取付部40によって吊り下げた状態で固定および支持する場合、ブラケット58を省略してもよい。
次に、図6を参照して、上記のような構成を有する電池ユニット20の排気動作等について説明する。図6は、電池ユニット20のダクト室14および集合ダクト部30におけるガスの流れを示す電池ユニット20の概略的な平面図である。図6においては、電装部品収納ケース26の図示が省略されている。
図6に示すように、電池モジュール22に含まれる電池ブロック1の電池セル2に設けられている安全弁13が作動すると、電池セル2からガスがダクト室14に噴出する。各電池モジュール22の両端側において各ダクト室14はカバー部材8,9によって閉じられているため、ダクト室14に噴出したガスは、電池ユニット20の長さ方向Lの中央に位置する集合ダクト部30へと流れる。そして、ガスは、集合ダクト部30を幅方向Wに流れて排気ダクト部32からユニット外部に排出され、車両側の排気ダクト54から車外に放出される。
上述したように本実施形態の電池ユニット20によれば、複数の電池モジュール22を備える電池ユニット20をモジュールケース50の上壁52に固定する固定部材24に、複数の電池モジュール22の固定機能と電池セルから噴出したガスの排気機能とを持たせていることで、これらの機能を別々の構造体で実現する場合に比べて、電池ユニット20を小型にすることができる。その結果、搭載スペースが限られる車両に搭載されたときの省スペース化を図れる。
また、本実施形態の電池ユニット20では、固定部材24の排気ダクト部32の端部にフランジ部34を設けてモジュールケース50の上壁52に固定したことで、排気ダクトの固定と電池ユニット20の固定とを同時に行うことができ、組み付け作業が容易となる利点がある。
また、本実施形態の電池ユニット20では、固定部材24が伝熱性の良好な金属板によって形成され、電池モジュール22で生じた熱を固定部材24の排気ダクト部32、第1取付部36および第2取付部40を介してモジュールケース50に放熱する機能を有する。このため、電池モジュール22の温度上昇を抑えることができ、温度上昇による電池セル2の性能変動を低減することができる。
また、本実施形態の電池ユニット20では、固定部材24を構成する平板部25が伝熱性の良好な金属板によって形成されるとともに電池ユニット20を構成する複数の電池モジュール22に跨って連結されていることから、各電池モジュール間での温度差を均す均熱作用を有している。これにより、温度差による電池モジュール22間の性能格差を是正または緩和することができる。
さらに、本実施形態の電池ユニット20では、電池ユニット20の充放電を制御するための電装部品を収納した電装部品収納ケース26が固定部材24に取り付けられている。これにより、専用の取付部品を必要とせずに、電池ユニット20に電装部品ケースを容易に取り付けることができる。また、電装部品収納ケース26は、隙間27を介して固定部材24の平板部25から熱的に分離されていることから、固定部材24の熱が電装部品収納ケース26に伝わって内部の電装部品が熱的損傷を受けるのを抑制できる。
なお、本発明に係る電池ユニットは、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲内で種々の変更や改良が可能である。
上記実施形態においては、固定部材24の排気ダクト部32をモジュールケース50の上壁52に連結するとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、排気ダクト部32を固定部材24から幅方向Wに延伸させてモジュールケース50の側壁から外部に排気するようにしてもよい。あるいは、集合ダクト部30を電池ユニット20の側面から下方に延伸させて排気ダクト部32をモジュールケース50の底壁56に連結して排気方向を下方に向けてもよい。
また、図7に示すように、電池ユニット20A,20Bを上下に積み重ねて設置する場合、各電池ユニット20A,20Bの集合ダクト部30を幅方向Wの端部でそれぞれ開口させ、これらの開口部31を接続部材60で連通させる構成としてもよい。これにより、下段の電池ユニット20Bの集合ダクト部30から排出されたガスを上段の電池ユニット20Aに導いて排気ダクト部32から排気することができる。
さらに、固定部材24の排気ダクト部32のダクト出口近傍に、所定温度(例えば約100℃等)で溶断する温度ヒューズを設けて、電池ユニット20において電池セル2からガスが噴出したことを検知してもよい。
1 電池ブロック、2 電池セル、3 電池セルケース、4 正極側集電部、5 負極側集電部、6,7 ホルダ、8,9 カバー部材、9a 連結リブ、10 正極側絶縁板、11 正極集電体、12 正極板、13 安全弁、14 ダクト室、15 ケース部材、16 負極側絶縁板、17 負極集電体、18 負極板、20,20A,20B 電池ユニット、22 電池モジュール、24 固定部材、25 平板部、26 電装部品収納ケース、27 隙間、30 集合ダクト部、31 開口部、32 排気ダクト部、34 フランジ部、36 第1取付部、40 第2取付部、37,38,41,42 取付座部、50 モジュールケース、52 上壁、53 排気口、54 (車両側の)排気ダクト、56 底壁、58 ブラケット、60 接続部材、H 高さ方向、L 長さ方向、W 幅方向。
Claims (5)
- 互いに並列接続された複数の電池セルをそれぞれ含み、各々電池セルから噴出したガスを排気するダクト室をそれぞれ有する複数の電池モジュールと、
前記複数の電池モジュールを一体的に組み合わせた状態で収納ケースの壁部に固定する固定部材と、を備える電池ユニットであって、
前記固定部材は前記収納ケースに取り付けられる第1取付部を有し、該第1取付部は各電池モジュールのダクト室に噴出したガスを集合させて排気するための排気ダクトを含む、
電池ユニット。 - 請求項1に記載の電池ユニットにおいて、
前記排気ダクトを含む前記第1取付部は、ダクト出口が形成される先端部にフランジ部を有しており、該フランジ部が前記収納ケースの壁部に取り付けられる、電池ユニット。 - 請求項1または2に記載の電池ユニットにおいて、
前記固定部材は前記電池ユニットを前記収納ケースに固定するための第2取付部を更に有し、前記固定部材は金属板で形成されている、電池ユニット。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池ユニットにおいて、
前記ダクト室は開口部を有しており、前記固定部材は前記開口部を覆うように前記複数の電池モジュールに跨って連結されている、電池ユニット。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池ユニットにおいて、
前記電池モジュールに含まれる前記電池セルの充放電を制御するための電装部品を収納した電装部品収納ケースが前記固定部材の上に隙間を介して固定されることを特徴とする、電池ユニット。
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