JP7174707B2

JP7174707B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP7174707B2
Application number: JP2019544481A
Authority: JP
Inventors: 晴彦米田; 真己拝野; 裕司岸田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: PH12020550163A1; WO2019065110A1; JPWO2019065110A1; CN111164786B; CN111164786A

Description

本発明は、電池の熱をポッティング樹脂で放熱する電源装置に関する。

電源装置は、内蔵電池の熱エネルギーを外部に放熱する必要がある。電池の温度上昇が安全性を低下させる原因となり、さらに電池に悪影響を与えて劣化させる原因となるからである。電池の表面にポッティング樹脂を密着させ、熱エネルギーをポッティング樹脂を介して放熱する電源装置は開発されている。（特許文献１参照）

特開２００８－２５１４７１号公報

特許文献１の電源装置は、電池の端面をポッティング樹脂に埋設し、電池の熱エネルギーをポッティング樹脂に伝導して放熱している。この構造の電源装置は、電池の端面をポッティング樹脂に埋設するので、ポッティング樹脂が排出弁の排出口を閉塞して、速やかに排出させるのを阻害する弊害がある。電池は、外装缶の内圧が設定圧力よりも高くなると排出弁を開いて外装缶が破壊されるのを防止している。開弁する排出弁は、排出口からスムーズに噴出ガスを外部に排出して内圧上昇を阻止するので、噴出ガスがスムーズに排出できない構造は、内圧上昇の速やかな低下を実現できないからである。

本発明は、以上の弊害を防止することを目的に開発されたもので、本発明の目的の一は、電池にポッティング樹脂を密着させ熱エネルギーを効率よく放熱できる構造としながら、排出弁の噴出ガスをスムーズに排出して高い安全性を実現できる電源装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、ポッティング樹脂を電池の放熱に理想的な位置に充填しながら、ポッティング樹脂の充填を簡単かつ能率よくして、放熱特性と安全性を確保できる電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第１の側面に係る電源装置は、設定圧力で開弁する排出弁の開口部を端面に配置してなる複数の電池セルが平行姿勢であって両端を同一平面に配置してなる電池ユニットが、絶縁スペースを介して前記電池セルの端面を対向して配置されて、前記絶縁スペースに前記電池セルの前記排出弁の排出口を配置してなる電池集合体と、前記電池集合体に密着してなるポッティング樹脂と、前記絶縁スペース内に配置されて、前記排出弁の開口部を覆う閉塞カバーとを備えている。前記閉塞カバーは、前記電池セルの排出弁から排出される噴出ガスで溶融する独立気泡を有する絶縁材の発泡体で、前記閉塞カバーが、前記ポッティング樹脂の前記排出弁の開口部への流入を阻止し、かつ前記排出弁からの噴出ガスで溶融して噴出ガスを通過させるようにしている。

以上の電源装置は、電池セルとポッティング樹脂を密着させ、電池セルの熱エネルギーを効率よく放熱しながら、排出弁の噴出ガスをスムーズに排出して高い安全性を実現できる特徴がある。以上の電源装置が電池セルの熱を効率よく放熱できるのは、電池集合体にポッティング樹脂を密着させ、ポッティング樹脂が電池セルの熱エネルギーを外部に放熱するからである。また、排出弁から噴射される噴出ガスを電池セルからスムーズに排出できるのは、電池集合体にポッティング樹脂を密着させながら、絶縁スペースには閉塞カバーを配置し、この閉塞カバーで排出弁の排出口を塞いでポッティング樹脂の流入を阻止するが、閉塞カバーを噴出ガスで溶融される独立気泡の発泡体とするからである。噴出ガスで溶融される独立気泡の発泡体からなる閉塞カバーは、ポッティング樹脂の流入を確実に阻止しながら、無数の気泡によって空隙率を著しく大きくできるので、実質的に溶融される質量を極めて減少でき、排出口から噴射される高温・高圧の噴出ガスで速やかに溶融されて、噴出ガスを速やかに排出できる特徴がある。

さらに、以上の電源装置は、閉塞カバーで排出弁の排出口を塞ぐ状態でポッティング樹脂を充填できるので、ポッティング樹脂が排出弁の排出口を塞ぐのを確実に阻止して、ポッティング樹脂を電池セルの放熱に好ましい位置に充填しながら、ポッティング樹脂を簡単かつ容易に、しかも能率よく充填して効率よく多量生産できる特徴がある。したがって、以上の電源装置は、ポッティング樹脂で優れた放熱特性を実現し、さらに排出弁の排出口がポッティング樹脂で閉塞されるのを阻止しながら、噴出ガスをスムーズに排出することで、高い安全性を実現する特徴も実現する。

また、第２の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記閉塞カバーの溶融温度を１００℃以上であって５００℃以下とすることができる。

さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記閉塞カバーをゴム状弾性体の絶縁材とすることができる。

さらに、第４の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記閉塞カバーを、合成ゴムと軟質プラスチックの何れかの発泡体とすることができる。

さらに、第５の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記閉塞カバーが、前記絶縁スペースの外周部を閉塞する外周枠部を有し、前記ポッティング樹脂を前記外周枠部の外側に充填すると共に、前記外周枠部の内側に排気チャンバーを設けて、前記排気チャンバーに前記排出弁の排出口を開口することができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置を示す垂直断面図である。図１の電源装置の要部拡大断面図である。図１の電源装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図１の電源装置の電池集合体の分解斜視図である。図４に示す閉塞カバーの分解斜視図である。

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構成を例示するものであって、本発明は以下の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。

以下に示す電源装置は、主として、モータのみで走行する電気自動車や電動カートなどの電動車両の駆動用電源に適用する例を説明する。なお本発明の電源装置を、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車に使用したり、電動車両以外の大出力が要求される用途、例えば家庭用、工場用の蓄電装置等に使用してもよい。
（実施形態１）

図１～図３に示す電源装置１００は、外装ケース９に電池集合体４０を内蔵している。電池集合体４０は、一対の電池ユニット４０Ａを備えており、一対の電池ユニット４０Ａを対向位置（図１において左右）に配置して連結している。
（電池ユニット４０Ａ）

電池ユニット４０Ａは、図１及び図４に示すように、複数の二次電池セル１を平行姿勢に並べて、両端を同一平面に配置して、両端の端部電極１３にリード板４５を接続している。電池集合体４０は、対向位置に配置する一対の電池ユニット４０Ａを二次電池セル１の軸方向に並べて配置すると共に、一対の電池ユニット４０Ａの間に絶縁スペース６を設けている。各々の電池ユニット４０Ａは、図２の拡大断面図に示すように、絶縁スペース６の対向位置に端部電極１３を配置している。
（二次電池セル１）

二次電池セル１は、設定圧力で開弁する排出弁の排出口（図視せず）を端面に設けている。二次電池セル１は両端に端部電極１３を設けている。この二次電池セル１は、アルミニウム等の金属製外装缶の開口部を封口板で気密に密閉して、封口板に凸部電極を設けて第１の端部電極１３Ａとし、外装缶の底面を第２の端部電極１３Ｂとしている。排出弁の排出口は、凸部電極側に設けられ、あるいは外装缶の底面に設けられる。

二次電池セル１は、円筒形電池のリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、大きさや重量に対する容量が大きく、電源装置１００のトータル容量を大きくできる。ただし、本発明の電源装置は、二次電池セルをリチウムイオン電池には特定しない。二次電池セルには、充電できる他の二次電池が使用できる。また、図１の電源装置１００は、二次電池セル１を円筒形電池とするが、二次電池セルには角形電池も使用できる。各々の二次電池セル１は、その両端の端部電極１３にリード板４５を溶接して、隣接する二次電池セル１を直列又は並列に接続している。
（電池ホルダ４４）

二次電池セル１は、図４に示すように、電池ホルダ４４で定位置に配置している。電池ホルダ４４はプラスチック等の絶縁材を成形して制作される。図の電池ホルダ４４は、すべての二次電池セル１を平行な姿勢で定位置に配置している。電池ホルダ４４で定位置に配置される二次電池セル１は、その両端にリード板４５を溶接するので、各々の端部に溶接されるリード板４５を同一面に位置するように、各々の二次電池セル１をその両端部がほぼ同一面に位置するように、電池ホルダ４４に配置している。

電池ホルダ４４は、二次電池セル１を挿入して定位置に配置する挿入部４４Ａを設けている。図の電源装置１００は、二次電池セル１を円筒形電池とするので、挿入部４４Ａを円柱状としている。電池ホルダ４４は、プラスチックを筒状に成形して内側に挿入部４４Ａを設けている。挿入部４４Ａは、電池端部を露出させる開口部４４Ｂを両端に設けている。開口部４４Ｂは、挿入部４４Ａに挿入される二次電池セル１の端部を挿入部４４Ａから外部に露出させる。開口部４４Ｂに露出される二次電池セル１の端面は、端部電極１３となってここにリード板４５が溶接して固定される。
（ポッティング樹脂７）

電池集合体４０は、ポッティング樹脂７に密着されて、二次電池セル１の熱エネルギーをポッティング樹脂７に伝導して放熱する。ポッティング樹脂７は、電池表面に直接に密着し、あるいは電池ホルダ４４やリード板４５を介して二次電池セル１に密着されて二次電池セル１の熱を放熱する。ポッティング樹脂７は、たとえば、電池集合体４０を防水袋７５に入れ、防水袋７５に未硬化で液状のポッティング樹脂７を充填し、ポッティング樹脂７を硬化させて電池集合体４０に密着状態となる。ただし、本発明は、ポッティング樹脂７を電池集合体４０の二次電池セル１や電池ホルダ４４等に密着する構造や方法を特定するものでないので、電池集合体を外装ケースに入れてポッティング樹脂を外装ケースに充填して密着することができ、また、ポッティング樹脂を充填するスペースを電池ホルダに設け、あるいは又ポッティング樹脂を充填する筐体に電池集合体を入れて充填することもできる。ポッティング樹脂７は、電池集合体４０の電池表面などに密着する熱伝導面積を広くして、二次電池セル１を効果的に放熱できる。未硬化のポッティング樹脂７は液状で、充填されて狭い隙間にも浸入するので、二次電池セル１の端面に溶接しているリード板４５の開口部や二次電池セル１との隙間から浸入して二次電池セル１の表面に密着される。

図１に示すように、一対の電池ユニット４０Ａの間に絶縁スペース６を設けて、絶縁スペース６の両側に二次電池セル１の端面を配置する電池集合体４０は、排出弁の排出口が絶縁スペース６に露出する。排出弁が開弁すると、排出口からは高温の噴出ガスが噴射される。絶縁スペース６にポッティング樹脂７が充填されると、ポッティング樹脂７が排出弁の排出口を閉塞して噴出ガスの排出を阻害する。また、排出口から内部に浸入するポッティング樹脂７は、排出弁の正常な動作を阻害する。電源装置は、二次電池セル１の内圧が異常に高くなると排出弁を開いて二次電池セル１の破裂を防止するので、噴出ガスをスムーズに排出できない構造は、たとえ二次電池セル１の熱を効率よく放熱できるとしても、高い安全性は確保できない。
（閉塞カバー６１）

電源装置１００は、ポッティング樹脂７が排出弁の排出口を閉塞しないように、絶縁スペース６に閉塞カバー６１を配置している。電源装置１００の閉塞カバー６１は、図１～図５に示すように、絶縁スペース６の外周部を閉塞する外周枠部６２を有し、この外周枠部６２でポッティング樹脂７の絶縁スペース６への注入を阻止して、ポッティング樹脂７を外周枠部６２の外側に充填して、外周枠部６２の内側に排気チャンバー６３を設けて、排気チャンバー６３に排出弁の排出口を露出させている。外周枠部６２は、絶縁スペース６の外周縁部に沿って伸びる形状で、電池ユニット４０Ａの端面に隙間なく密着して、絶縁スペース６にポッティング樹脂７が流入するのを阻止している。この構造の閉塞カバー６１は、外周枠部６２の内側に大容積の排気チャンバー６３を設けて、ここに噴出ガスを噴射できるので、噴出ガスをスムーズに排出できる特徴がある。それは、大容積の排気チャンバー６３は、排出弁の排出口から噴射される噴出ガスによる内圧上昇が緩慢で排気抵抗の上昇勾配を緩やかにできるからである。

閉塞カバー６１は、排出弁から排出される噴出ガスで溶融する独立気泡を有する絶縁材の発泡体で成形される。噴出ガスで溶融される閉塞カバー６１の溶融温度は、たとえば１００℃以上であって５００℃以下、好ましくは２００℃以上であって４００℃以下とする。溶融温度の低い閉塞カバー６１は、噴出ガスで速やかに溶融して噴出ガスを絶縁スペース６の外部に排出し、溶融温度の高い閉塞カバー６１は、使用状態において確実に絶縁スペース６を閉塞できる。閉塞カバー６１の溶融温度が低すぎると、電池温度で溶融し、あるいは変形し、また高すぎると噴出ガスで速やかに溶融できなくなる。したがって、閉塞カバー６１の溶融温度は、噴出ガスでは速やかに溶融し、かつ噴出ガスが噴射されない状態では変形したり溶融しない温度特性を考慮して、先述の範囲に設定される。

噴出ガスで溶融する閉塞カバー６１は、液状のポッティング樹脂７を充填する工程では溶融されずにポッティング樹脂７の絶縁スペース６への流入を阻止し、開弁した排出弁から噴射される高温の噴出ガスで溶融される。溶融された閉塞カバー６１は絶縁スペース６を外部に開放して、噴射される噴出ガスを図２及び図３の矢印で示すように、絶縁スペース６から排出する。絶縁材の閉塞カバー６１は、電池ユニット４０Ａの端部電極１３側に密着して、絶縁スペース６を閉塞できる。とくに、端部電極１３側には金属板のリード板４５を配置しているので、絶縁材の閉塞カバー６１はリード板４５に密着して、リード板４５を短絡することなく絶縁スペース６を閉塞できる。さらに、独立気泡を有する発泡体の閉塞カバー６１は、単位体積に対する重量が小さく、密度を低くできるので、高温の噴出ガスで速やかに溶融されて、噴出ガスを絶縁スペース６から速やかに外部に排出できる特徴がある。さらに発泡体の閉塞カバー６１は、成形時の発泡倍率をコントロールしてより低比重化できるので、噴出ガスによる溶融時間を極めて短縮することができる。

閉塞カバー６１は、ゴム状弾性体の発泡体で成形している。ゴム状弾性体の閉塞カバー６１は、たとえば合成ゴム発泡体や軟質のプラスチック発泡体で成形される。合成ゴム発泡体はプロピレンゴムが使用できる。軟質のプラスチック発泡体には、たとえば軟質ウレタン発泡体が使用できる。ゴム状弾性体の閉塞カバー６１は、一対の電池ユニット４０Ａの間に配置し、両側の電池ユニット４０Ａで押圧し、圧縮される状態に弾性変形させることで、電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに密着する。電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに密着する閉塞カバー６１は、絶縁スペース６に注入される液状のポッティング樹脂７が絶縁スペース６に浸入するのを確実に阻止できる特徴がある。とくに、絶縁スペース６との対向面４０ａにリード板４５を固定している電池ユニット４０Ａは、リード板４５によって対向面４０ａに凹凸や隙間ができるが、弾性変形して密着する閉塞カバー６１は、凹凸を吸収し、隙間を閉塞してポッティング樹脂７の絶縁スペース６への浸入を確実に阻止できる特徴がある。さらに、独立気泡を有する発泡体からなるゴム状弾性体の閉塞カバー６１は、無数の気泡でより柔軟化されて変形できる自由度が大きくなり、凹凸のある電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに隙間なく密着し、また隙間を閉塞して絶縁スペース６へのポッティング樹脂７の流入をより確実に阻止できる特徴がある。さらに、ゴム状弾性体の発泡体からなる閉塞カバー６１は、弾性変形して電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに密着する状態で、電池ユニット４０Ａの対向面４０ａの押圧力を小さくできる。したがって、電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに密着しながら、電池ユニット４０Ａに無理な応力を作用させることなく、絶縁スペース６を確実に閉塞できる特徴がある。

ただ、本発明の電源装置は、閉塞カバー６１を必ずしもゴム状弾性体で成形する必要はない。それは、閉塞カバー６１と電池ユニット４０Ａの対向面４０ａとの間に弾性変形するパッキンを配置し、あるいはシール材を塗布して、閉塞カバー６１を電池ユニット４０Ａの対向面４０ａに隙間なく密着することができるからである。

図１～図３の電源装置１００は、閉塞カバー６１に外周枠部６２を設けて、外周枠部６２の内側に排気チャンバー６３を設けているが、本発明は閉塞カバー６１をこの形状に特定するものでない。たとえば、図示しないが、閉塞カバーは、二次電池セルの排出弁の排出口との対向面に凹部を設けた板状の発泡体に成形し、あるいは、絶縁スペースに隙間なく配設されて、排気チャンバーを設けない板状に成形して排出弁の排出口を塞ぐこともできる。これ等の形状の閉塞カバーは、発泡体の発泡倍率を高くして閉塞カバー内部の空隙率を高くし、また溶融温度を低くして高温の噴出ガスによる溶融時間を短縮して、絶縁スペースに噴射される噴出ガスを速やかに外部に排出する。
（耐熱シート６４）

図１及び図２の電源装置１００は、絶縁スペース６の中間に耐熱シート６４を配置し、耐熱シート６４の両側に閉塞カバー６１を配置して、閉塞カバー６１を耐熱シート６４と電池ユニット４０Ａとの間に配置している。耐熱シート６４は噴出ガスが溶融されない耐熱特性のシートで、絶縁スペース６に噴射される噴出ガスから対向する二次電池セル１を保護して、二次電池セル１の熱暴走を防止する。耐熱シート６４は絶縁性のシートで、その両面、すなわち絶縁スペース６の対向面４０ａに配置される電池ユニット４０Ａのリード板４５の短絡を防止する。耐熱シート６４には、難燃処理した絶縁紙や絶縁性の耐熱繊維を集合した紙や不織布が使用できる。これ等の耐熱シート６４は薄くできるので、耐熱シート６４が絶縁スペース６の実質容積を減少することなく絶縁スペース６を広くして噴出ガスをスムーズに排出できる特徴がある。

さらに、図１及び図３の電源装置１００は、図２及び図５に示すように、閉塞カバー６１の外周枠部６２の表面と耐熱シート６４の表面とに絶縁シート６５を積層している。絶縁シート６５はプラスチック製で、耐熱シート６４の両面に閉塞カバー６１を配置して、耐熱シート６４と両側の閉塞カバー６１とを一体構造に連結して、絶縁スペース６に配設される板状の絶縁スペーサ６０としている。絶縁スペーサ６０は、一対の電池ユニット４０Ａの間に挟む状態で配置されて、閉塞カバー６１と耐熱シート６４とを絶縁スペース６の定位置に配置する。したがって、この構造は組み立て工程を簡単にして能率よく多量生産して、耐熱シート６４と閉塞カバー６１とを正確な位置に配置できる特徴がある。

本発明の電源装置は、内蔵する多数の二次電池セルを効率よく放熱しながら、高い安全性が要求される用途に便利に使用される。

１００…電源装置
１…二次電池セル
６…絶縁スペース
７…ポッティング樹脂
９…外装ケース
１３…端部電極第
１３Ａ…第１の端部電極
１３Ｂ…第２の端部電極
４０…電池集合体
４０Ａ…電池ユニット
４０ａ…対向面
４４…電池ホルダ
４４Ａ…挿入部
４４Ｂ…開口部
４５…リード板
６０…絶縁スペーサ
６１…閉塞カバー
６２…外周枠部
６３…排気チャンバー
６４…耐熱シート
６５…絶縁シート
７５…防水袋

Claims

設定圧力で開弁する排出弁の開口部を端面に配置してなる複数の電池セルを平行姿勢であって両端を同一平面に配置してなる電池ユニットが、絶縁スペースを介して前記電池セルの端面を対向して配置されて、前記絶縁スペースに前記電池セルの前記排出弁の排出口を配置してなる電池集合体と、
前記電池集合体に密着してなるポッティング樹脂と、
前記絶縁スペース内に配置されて、前記排出弁の開口部を覆う閉塞カバーとを備え、
前記閉塞カバーは、前記電池セルの排出弁から排出される噴出ガスで溶融する独立気泡を有する絶縁材の発泡体で、
前記閉塞カバーが、前記ポッティング樹脂の前記排出弁の開口部への流入を阻止し、かつ前記排出弁からの噴出ガスで溶融して噴出ガスを通過させるようにしてなることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載される電源装置であって、
前記閉塞カバーの溶融温度が１００℃以上であって５００℃以下であることを特徴とする電源装置。
請求項１又は２に記載される電源装置であって、
前記閉塞カバーがゴム状弾性体の絶縁材としてなることを特徴とする電源装置。
請求項３に記載される電源装置であって、
前記閉塞カバーが、合成ゴムと軟質プラスチックの何れかの発泡体であることを特徴とする電源装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載される電源装置であって、
前記閉塞カバーが、前記絶縁スペースの外周部を閉塞する外周枠部を有し、前記ポッティング樹脂が前記外周枠部の外側に充填されると共に、前記外周枠部の内側に排気チャンバーが設けられ、前記排気チャンバーに前記排出弁の排出口が開口されてなることを特徴とする電源装置。