JP7379556B2 - 電気車両用の耐炎防爆電池パック及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体の持つ熱伝導性や空気遮断性、高燃焼点、低粘度、良電気絶縁性、重力などの自然法則の物理的特性を利用して、電気車両の電池パックの燃焼又は爆発を防ぐための製造方法に応用した技術的思想である。まず、本発明では、上記の物理的特性を持つ「耐炎油」（難燃性オイル）と呼ばれる流体を適用する。次に、電池パックの組み立て方法には補完的な新規な設計方法がある。

電気車両電源の電池ブリックアセンブリの容器及び電池パックの容器に、前述の耐炎油を注入し満たす（充填する）ことにより、各単電池が、熱伝導性、電気絶縁性及び空気遮断性を有する耐炎油に浸される。電池パック内の単電池において不特定の原因で電池の電極プレートが短絡した場合、短絡の瞬間に電極プレートを融解する顕熱のエントロピー（entropy）が伝導され、迅速に分散され、電池パック全体の比熱容量(specific heat capacity)に吸収されて外に放出されるため、瞬間に融解したときの高い温度は下がる。単電池は電極プレートの短絡による融解熱により火炎燃焼に発展し、最終的に連鎖燃焼、更に爆発までに悪化することを避けるために、本発明は、自然の法則の多くの物理的特性に基づいて、「耐炎油」と電池パックの新規な組み立て方法を完成し、電気車両の電池パックの製造に応用し、燃えたり爆発したりしやすい電気車両用の電池パックの重大欠陥を改善し、電気車両の安全性を向上させる。

現在、電気車両の電気エネルギー密度の必要性に基づいて、ほとんどの電気車両は、燃焼及び爆発の潜在的なリスクがある二次リチウムイオン化学電池を電源として使用している。二次リチウムイオン化学電池は燃焼、爆発のリスクがあるため、電気車両の電源には最適ではない。このために、電気車両メーカーは、電気車両の燃焼、爆発の可能性を低減するために、電池材料の安全性能を改善することに取り組んでいる。しかし、電池材料の進歩は限られている。より安全な電池材料のエネルギー密度は通常は高くなく、車両の走行距離が不十分であるため、市場の実際のニーズを満たすことは困難である。

このように、二次リチウムイオン化学電池を動力源として、燃焼や爆発が起こるという問題があることに加えて、電池パックの単電池の電解液の漏れによって短絡が起こるという問題も考えられる。図１に示す一般的な電気車両の電池パック配置の回路図を参照されたい。一般的な電気車両の電池パックＰ３の接続方法は、複数の単電池Ｐ１の正極と負極を直接直列に接続して複数の電池ストリングＰ２を形成し（図1では、六つの電池ストリングＰ２が例として示されている）、次に、電池ストリングP2が並列に接続されて電池パックＰ３が構成される。電池パックＰ３を電気車両の限られたスペースのシャーシに平らに配置するときに、電池ストリングＰ２の各単電池Ｐ１を最短経路で電気的に接続する必要がある。つまり、隣接している単電池Ｐ１を正極と負極が直接の直列接続となるように配置する必要があり、例えば、第一単電池と第二単電池との接続において、第一単電池の姿勢が正極を上に向けた姿勢のとき、第一単電池に隣接する第二単電池の姿勢が正極を下に向けた姿勢である必要がある。第二単電池に隣接する第三単電池の姿勢も正極を上に向けた姿勢にしてから、第一単電池に接続される。直列接続された第一単電池Ｐ１と第二単電池Ｐ１と第三単電池Ｐ１との間には電圧差があるので、単電池Ｐ１が正極を上に向けて又は正極を下に向けて繰り返し直列に配置される場合、電池ストリングＰ２にある、正極を下に向けた姿勢の単電池Ｐ１は、シール部の欠陥により、可燃性電解液が電池の正極キャップから漏れる可能性がある。漏れている電解液は導電性を持っているため、第一単電池Ｐ１と、直列に接続される第二単電池Ｐ１以外の近くの単電池Ｐ１との間に短絡を発生させる。この短絡現象により、単電池Ｐ１が瞬間的に大電流放電を発生させ、最終的に短絡する単電池Ｐ１の電極プレートが溶けて、燃焼又は爆発のリスクが生じる可能性がある。要約すると、従来技術では、電池パックにおいて、正極を上に向ける又は正極を下に向けるという姿勢が繰り返されて単電池Ｐ１が直列接続に配置されるため、単電池Ｐ１の電解液漏れによって引き起こされる短絡の欠陥を防ぐことができない。これも本発明によって解決されるべき問題の一つである。

また、グローバル特許検索システムを検索したところ、本発明の電池パックの耐炎防爆技術の先行技術が見つからなかった。よって、「電気車両用の電池パックの耐炎防爆方法」という技術は、「製造方法の特許により製造された物は製造方法を特許出願する前に国内外で知られていないもの」に属する自然法則を利用した技術思想の発明である。したがって、本願の出願前の分析のためのグローバル特許検索システムには、先行技術は見当たらなかった。

しかし、自然法則の熱伝導性、空気遮断性、良好な電気的絶縁性、高い自発発火点、及び低粘度の鉱油の物理的特性の応用は、現在、電力システムのＡＣ高電圧変圧器の誘導コイルの絶縁及び散熱などの応用があることが知られている。低粘度鉱油を応用するための上記の技術分野は、電力システムの分野に限定されている。本発明では、低粘度鉱油のさまざまな物理的特性が、二次化学電池パックの耐炎性及び防爆性の分野に応用され、新規な技術開発の新しい分野として分類されている。従って、低粘度鉱油の物理的特性を電気車両用の耐炎防爆電池パックの製造方法に応用することで、本発明は、当然電池の分野又は電気車両の分野における創作である。

本発明での鉱油の応用は、電気車両製造と電池パック製造の分野に亘って新規な応用であって、出願前に刊行物に記載され、公然実施をされ又は公然知られたものではない。電池技術や電気車両技術の分野における当業者が出願前の先行技術に基づいて簡単に発明又は完成できるものではない。電池技術や電気車両技術の分野における当業者は少なくないが、路傍の電柱にＡＣ高電圧変圧器が設置されているのを目撃して、独自の発想又はアイデアで本発明の製造方法を思いつく当業者はいない。グローバル特許検索システムにおいて関連情報が見つからなく、更に電気車両技術や電池技術の分野における当業者から得た先行技術はない。

電池の種類は、エネルギー密度の異なる化学電池、物理電池、生物電池及び燃料電池に大別される。その中で、化学電池はエネルギー密度が最も高く、燃料を繰り返し補充する必要がない。電気車両に必要な電気エネルギーが非常に大きく、重量又は体積あたりのエネルギー密度が高いため、充放電を繰り返しできるリチウムイオン二次化学電池が電気車両の電源に最適な選択肢になる。しかし、リチウムイオン二次電池は本質的に燃焼や爆発のリスクがあり、電気車両はそれを動力源として使用し、既知のリスクを負っているが、他に選択肢がない。従って、現時点ではリスク管理を強化することしかできない。例えば、電池パックの金属ケーシングを厚くする、或いは放熱管を配置することなどで対応する。更に、内燃機関の動力の代わりに電力を使用する利点は、主に、運輸における温室効果ガスの排出量を削減し、温室効果ガスを削減して、極端な気候悪化を回避し、これは世界的なコンセンサスである。

本発明は、電気車両用の耐炎防爆電池パックを提供し、耐炎防爆電池パックは、正極溶接シート及び負極溶接シートを規定するように電気的に接続された複数の単電池からなる少なくとも一つの電池ブリックと、それぞれ正極溶接シート及び負極溶接シートを電気的に接続する電池ブリックの正極リード及び電池ブリックの負極リードと、電気的に接続された複数の単電池を収容するのに十分な第一収容空間を規定する電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器と、を含み、第一収容空間が耐炎油（難燃性オイル）で満たされることで、電気的に接続された複数の単電池を耐炎油に浸し、かつ電池ブリックの正極リードと電池ブリックの負極リードを第一収容空間外に露出させて電池ブリックアセンブリを構成する。

また、本発明は、外部で直列に接続されている複数の電池ブリックアセンブリを含む電気車両用の耐炎防爆電池パックを更に提供する。各電池パックは、複数の電池ブリックアセンブリと、電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器とを含み、複数の電池ブリックアセンブリのうちの各電池ブリックアセンブリは、電気的に並列に接続された複数の単電池からなる電池ブリックであって、複数の単電池が電池ブリックの正極リード及び電池ブリックの負極リードと電気的に接続される電池ブリックと、第一収容空間を規定する電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器であって、複数の単電池が正極を上に向けて組み合わせられ、かつ、第一収容空間に入れられ、電池ブリックの正極リードと電池ブリックの負極リードを第一収容空間外に露出させる電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器と、を含み、電池パックのカバー及び電池パックの容器は第二収容空間を規定するものであって、複数の電池ブリックアセンブリを、正極を上に向けて組み合わせ、第二収容空間に入れ、かつ電池パックの正極リード及び電池パックの負極リードを規定するように電気的に接続し、かつ電池パックの正極リードと電池パックの負極リードを第二収容空間外に露出させる。

また、本発明は、電気車両用の耐炎防爆電池パックの製造方法を更に提供し、この製造方法は、正極溶接シート及び負極溶接シートを有する複数の単電池を電気的に接続して電池ブリックを構成するステップと、それぞれ正極溶接シート及び負極溶接シートに、電池ブリックの正極リード及び電池ブリックの負極リードを電気的に接続するステップと、電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器によって規定される第一収容空間に、電池ブリックを入れるステップと、第一収容空間に耐炎油を注入することで、電気的に並列に接続された複数の単電池を耐炎油に浸すステップと、電池ブリックの正極リードと電池ブリックの負極リードを第一収容空間外に露出させ、電池ブリックのカバーと電池ブリックの容器を合わせて、電池ブリックアセンブリを構成するステップと、を含む。

本発明の製造方法は、電池パックの正極リード及び電池パックの負極リードを規定するように、複数の電池ブリックアセンブリを電気的に接続し、複数の電池ブリックアセンブリを、電池パックのカバー及び電池パックの容器によって規定される第二収容空間に入れるステップと、第二収容空間に耐炎油を注入することで、複数の電池ブリックアセンブリを耐炎油に浸すステップと、電池パックの正極リードと電池パックの負極リードを第二収容空間外に露出させ、電池ブリックのカバーと電池ブリックの容器を合わせて、耐炎防爆電池パックを構成するステップと、を更に含む。

本発明の耐炎防爆電池パック及びその製造方法をサポートするために、本実施形態における電気車両の動力源は、エネルギー密度の観点から、数千の二次リチウムイオン化学の単一セル（単電池と略称する）を採用して構成される。まず、複数の単電池を、正極を上に向けて並列接続で組み合わせて、数百ワットアワー（Wh）の電池ブリック（電池ブリックと略称する）を構成する。次に、並列接続された電池ブリックを、正極を上に向けて耐炎油で満たされた耐衝撃性のＰＣ（ポリカーボネートであり、ポリカーボネートをＰＣと略称する）製のプラスチック容器で密封し、正極リード、負極リード及びヒューズを引き出して電池ブリックアセンブリを構成する。次に、複数の電池ブリックアセンブリを導線で「直列に接続」して、キロワットアワー（ｋWｈ）レベルの電池パック（電池パックと略称する）を構成する。最後に、複数の電池パックを構造体として使用し、ヒューズ付きのリードで「直列接続」して、電気車両に使用できる数十キロワットアワー（kWh）の電池グループを構成する。

前述の電池グループを電気車両の金属シャーシに取り付けて固定し、電気車両に必要な電源を構成する。本発明では、すべての単電池が「並列化」されて、大容量の電池ブリックアセンブリが構築される。本発明の電圧（エネルギー）を上げる方法として、耐炎油に浸され、耐衝撃性を有するＰＣ製のプラスチック容器に入れられた電池ブリックアセンブリを、ヒューズ付きの外部導電線を介して「直列接続」することによって電圧を上げることで、電池パックを製造する。次に、電池パックを、ヒューズ付きの外部導電線によって「直列接続」して電圧（エネルギー）を増加させて、数千の単電池のすべての正極を上に向ける数十キロワットアワー（kWh）仕様の電池グループを構築する。この電池グループは、高電圧、大電流の直流出力エネルギーを備えている。

本発明の技術的特徴の一つは、「直列接続」後の高電圧と高電流の電池グループであって、「区画並列接続」と「外部直列接続」の構造である。また、単電池を、すべて正極を上に向けて直立させ、ヒューズで回路を遮断できる安全保護メカニズムがある。交通事故により電池グループの一部が押しつぶされ、損傷して短絡が起こった場合、短絡の分圧は、損傷部分のわずか４.２ボルト（volt）の単電池電圧であり、放出される瞬間エネルギーは、電池の損傷部分の化学エネルギーの合計にすぎない。本発明の「外部直列接続」の電池技術は、「電池が直列接続」により電圧を上げることに相当する効果を提供し、これにより、従来の「直列接続の電池」が短絡の時に回路の遮断に失敗することによって引き起こされる燃焼や爆発のリスクを回避できる。

本発明の電池ブリックアセンブリを、「直列接続」方式で正極を上に向けて組み合わせて電池パックを構成する。電池の電圧を上げる「直列接続」効果を実現するだけでなく、電池の電解液の漏れを防ぐことができる斬新な設計でもある。これは、単電池の金属缶のパッケージングのとき、電池缶の絶縁ガスケット（以下、絶縁リングと略称する）のパッケージングに欠陥がある場合、シール不良の原因となり、可燃性電解液が漏れる原因となる。しかし、パッケージが不良の場合でも、正極を上に向けて直立した電池パックは、電解液の漏れや短絡のリスクがない。つまり、電池が横になっている、又は正極が下を向いている場合、重力による可燃性電解液の位置エネルギーに影響を及ぼし、シール部に欠陥があると、必然的に欠陥から漏れる。リチウムイオン二次電池の電解液が可燃性であるため、漏れた後、従来の正と負の電極を直接直列に接続すると、直列の電池間に電圧差があるため、電解液による導通により短絡放電現象を発生させる。短絡によって引き起こされる電極プレート融解エネルギーには、火炎燃焼又は爆発に発展するリスクがある。本発明の技術思想は、電池を、すべて正極を上に向けて直立させて位置エネルギを維持することにより、重力による可燃性電解液の漏れの可能性を完全に排除できる。欠陥のある電池の、重力による電解液の漏れが電気車両の電池パックの短絡を引き起こすことを防ぐことができる技術思想は進歩性及び産業上の利用可能性という発明特許要件を満たしている。

エネルギー保存の法則はよく知られている。本発明の技術的思想の一つは、すべての正極を上に向けた電池ブリックアセンブリと電池パックの容器に耐炎油を満たし、各単電池が耐炎油に浸されるようにすることである。急速充電の時、電池の化学反応を超えた過剰なエネルギー（廃熱）は、耐炎油を介して素早く伝達され、外部に放出され、電池パック全体の比熱容量で吸収される。調査により、空気の比熱容量が１０３０ J / (kg・K)であり、耐炎油の比熱容量が２２００J / (kg・K)であり、後者が前者の約二倍になり、空気は熱の不良導体、耐炎油は熱の良導体である。本発明では、局所での瞬間的な高熱を分散させて電池パックの比熱容量によって熱量を吸収し、分散させることは、エネルギー保存の法則に従う。

本発明の耐炎油は、充填量が約２３０リットルであり、電池と密接に接触している。従って、急速充電の時、化学反応の需要を超える顕熱のエントロピーは、空気よりも比熱容量と熱伝導率が優れている耐炎油の比熱容量によって吸収及び伝達される。本実施形態で充填されている耐炎油について、約２３０リットルで、重量が約１８４キログラムであるときに、比熱容量(specific heat capacity)により４０４８００J（ジュール）に達する熱量を吸収できるため、本発明は1C（C-Rate）以上の急速充電を定期的に実施でき、一方、急速充電により電極板が常に熱膨張冷収縮の状態になって電極板の経年劣化と密度の緩み（loose density）が急速に発生することがない。本発明は、電気車両の充電時間の短縮を実現し、１０分間の急速充電での２００キロメートルの走行を期待し、電気車両の利便性を向上させる。

一般の電気車両の電池パックの配置の回路図である。 本発明の耐炎防爆装置の電池パックの配置の回路図である。 本発明の耐炎防爆装置の単電池の概略断面図である。 本発明の耐炎防爆装置の電池ブリックの概略図である。 本発明の電池ブリックの溶接組み立ての概略図である。 本発明の耐炎防爆装置の電池ブリックアセンブリの概略図である。 本発明の耐炎防爆装置の電池パックの概略図である。

本発明の技術分野における実施形態は、熱伝導性、空気絶縁性、高燃焼点、低粘度、良好な電気絶縁性を備えた耐炎油（難燃性オイル）に関する。単電池電極プレートが短絡すると、電池電極プレート内のリチウム化合物が空気中の酸素分子（O₂）と接触することを防ぎ、火炎燃焼を回避し、電極プレートの融解によって発生する高温を周囲に伝達できて、連鎖燃焼、爆発の結果を回避するために、単電池の短絡により電極プレートを融解した顕熱のエントロピーが急速に伝達され、周囲の電池及び耐炎油自体の比熱容量の吸収により温度を低減させる。本発明の耐炎油は、本実施形態に記載されている鉱油抽出物に限定されず、人工的に合成された、又は本実施形態と同じ物理的特性を有する流体は、本発明の創造的な技術思想の範囲に含まれる。

本実施形態で使用される耐炎油は、配電システムで高電圧変圧器のＡＣ誘導コイルを浸漬して熱を放散し、空気中の水蒸気を隔離するために通常使用される絶縁油を用いてよい。本発明は、高電圧変圧器の絶縁油の物理的特性を、異なる技術分野である電気車両の電池パックの耐炎防爆の分野の製造方法に適用し、自然法則と技術的思想を使用する新規な応用及び製造方法であるため、「発明とは、自然法則を利用した技術的思想の創作のうち高度のものをいう。」という特許法の立法上の意図を満たす。

高圧変圧器の絶縁油は、電気絶縁強度が高く、絶縁破壊電圧が通常４０ＫＶ以上と高く、単電池の外部絶縁材料が劣化すると、絶縁効果を高めることができる。耐炎油は比熱容量が大きく粘度が低いという物性を持っているため、電池間に短絡があったり、単電池の正負極プレートが短絡したりして、電池電極プレートが溶ける場合、溶けた瞬間の高熱エネルギーを伝達するために使用できる。その高熱エネルギーが分散し、かつ電池パック全体によって吸収されるので、冷却及び耐炎の安全効果を実現する。このとき、耐炎油が熱伝導性により伝熱媒体になり（対流効果が含まれない）、電極プレートの短絡故障によって瞬間に生成された顕熱のエントロピーが、周囲の室温領域に素早く伝達でき、隣接している電池と耐炎油の比熱容量により吸収及び冷却されて、単電池の瞬間的な高温による連鎖燃焼の激しい反応を回避できて、電池の短絡又は電極プレートの融解によって引き起こされる燃焼又は爆発を完全に解決する。

従って、電池パックに耐炎油を満たす（充填する）ことは、電池電極プレートの偶発的な短絡によりコアが溶けて高温を伝達する媒体としての役割を果たす。耐炎油（難燃性オイル）とは、鉱物源、特に石油の留分から抽出された無色無臭の高級アルカンを指し、通常、引火点が２６５℃以上、燃焼点が３００℃以上、密度が約０.８g / cm³である。本発明の実施形態で例示される耐炎油は、およそ三種類に分類される。第一類は、パラフィン油であり、主にｎ－アルカンである。第二類は、ナフテン油であり、主にナフテン炭化水素である。第三類は、芳香族炭化水素油であり、主に芳香族炭化水素である。或いは、上記の成分から配合、改質、又は追加して得られる適合性のある成分である。本発明の技術的思想を持ち、空気を遮断し、熱を伝導させ、燃焼を遮断できるという物理的特性を有するものは、本発明の電池パックの耐炎防爆媒介物の耐炎油と見なされる。

本発明は、電気車両の動力電源用の安全な電池パックを製造する方法であり、この方法で製造された電池パックは、耐炎防爆の安全特性を有する。本実施形態は、数百回の充放電が可能な単一のリチウムイオン円筒形電池（１８６５０リチウム電池）（図３）に基づいて、本実施形態の説明例としての一例であるが、リチウムイオン円筒形電池（１８６５０リチウム電池）に限定されない。本発明の技術的思想や方法から類推し、自然の物理的特性を基礎とし、他の種類の充放電式の二次化学電池を採用し、他種類の耐炎油を充填してもよく、すべての単電池を「区画並列接続」によって分離し、正極を上に向けて直立させ、次に、従来の正極と負極の直接「直列接続」の代わりに、溶断機構であるヒューズ付きのリードの「外部直列接続」を使用して、電気車両用の耐炎防爆電池パックを製造することは、すべて本発明の特許請求の範囲の技術的範囲に含まれる。

図２は、本発明の耐炎防爆装置の電池パック（４）の配置の回路図である。詳細には、前述の「区画並列接続」構造は、複数の単電池（１）を並列接続して、大電流の電池ブリックアセンブリ（３）を指す。各単電池（1）は、正極が上を向くように電池ブリックアセンブリ（３）に配置される。好ましい並列接続の実施形態において、単電池（１）の正極が、並列接続のために正極導電性シートに溶接される。また、前述の「外部直列接続」の構造は、複数の電池ブリックアセンブリ（３）が直列に接続されて高電圧の電池パック（４）を形成するように、各電池ブリックアセンブリ（３）の間で直列に接続され、電池ブリックアセンブリ（３）の外部に配置された外部導電線を指す。その中で、複数の電池ブリックアセンブリ（３）の間の外部導電線は、いずれか一つの電池ブリックアセンブリ（３）が短絡した場合に、電池ブリックアセンブリ（３）同士の間の配線を遮断する電池ブリックヒューズ（３５）を更に備えている。本発明の「区画並列接続」及び「外部直列接続」の構造は、高電圧及び高電流のＤＣ出力を備えた電池パック（４）を構成する。本発明の電池パック（４）のうち、各単電池（１）の正極が上を向いており、従来の直接的に「直列で接続された」正極及び負極と比較して、本発明は、高出力の条件下での可燃性電解質の漏れによって引き起こされる短絡のリスクをよりよく回避することができる。

実施形態を説明する前に、まず、本発明でのすべての単電池を、正極を上に向けて直立させる技術を開発する必要性を紹介する。正極が上を向いて単電池が直立するため、単電池の製造工程で絶縁ガスケット（１２）（図３）の欠陥が生じたときに、電解液の漏れによる短絡のリスクを回避することができる。具体的には、単電池を横に置くか、または正極を下に向いて置くと、重力の影響で可燃性電解液が欠陥から漏れ、電解液の漏れにより電池パックが短絡し、電解液の可燃性により燃焼又は爆発を引き起こすリスクを回避することができる。更に、本発明は、単電池の「正極が上を向く」という設置以外の実施形態も提供する。例えば、単電池が上方向に対してある角度で傾斜している実施形態、或いは衝撃により単電池が傾斜している実施形態が挙げられ、これらの実施形態でも、可燃性電解液が重力効果により単電池の内部に収容され、上向きの正極の欠陥から外部に漏れることがないため、燃焼や爆発の危険性が低減する。別の実施形態において、単電池を４５度の傾斜で設置してもよい。本発明では、すべての単電池を並列に接続して組み合わせることにより電池パックの容量を増やす。電圧を上げるために、本発明では、正電極と負電極の従来の直接的な「直列接続」の方法の代わりに、外部の「直列接続」方法を使用して、電池パックが短絡電流を遮断できないことを回避する。上記の利点は、並列に接続された単電池の電位が同じであり、隣接する二つの単電池間の電位差がゼロであり、短絡のリスクがないことである。本発明の製造方法は、電池の利用可能な容量を増大させるにもかかわらず、短絡電圧差による電池パックの瞬間的な放電のリスクを効果的に回避できる。電池の電圧を上げるために、本発明では、一般的な「直列接続」方法の代わりに、外部の「直列接続」方法を使用して電池パックの電圧を上げる。その利点は、短絡が発生した場合に、ヒューズが外部の「直列接続」の電池パックの間の回路を遮断し、電池パックの燃焼又は爆発のリスクを抑制できる。従来の正極と負極の直接「直列接続」方法では、遮断メカニズムがない。

以下、本発明の耐炎防爆装置の単電池（１）の構造を詳しく説明する。図３は、本発明の耐炎防爆装置の単電池（１）の概略断面図である。二次リチウムイオン単電池（1）は、正に帯電した正極電極プレート（１４）と、負に帯電した負極電極プレート（１６）と、これら両者の間を隔て、正極放電によって形成された正孔を埋めるように陰イオンが移動できる非導電性絶縁シート（１５）（以下、絶縁シートと略称する）とで構成されている。正極電極プレート（１４）を内側に、絶縁シート（１５）を中央に、負極電極プレート（１６）を外側に置き、巻いて円筒形の金属製負極電池缶（１３）に入れ、適量の油溶性電解液を電池缶に注ぎ、次に、正極電極プレート（１４）の導電性シートを正極電池キャップ（１１）に導き、スポット溶接を行い、絶縁ガスケット（１２）（以下、絶縁リングと略称する）で正極電池キャップ（11）を、電池の負極として機能する金属負極電池缶（１３）から電気的に絶縁して、単電池（１）を形成する（図３）。単電池（１）は封止された後、空気を遮断する気密性を備え、正極材料は主に炭酸リチウムとニッケルやコバルト、マンガンなどの前駆体材料で構成されている。二次リチウムイオン単電池の正極と負極の間の電圧差は、完全に充電されたときに４.２Ｖであり、放電下限電圧は、３.０Ｖ以上になる必要があり、そうでない場合、再充電することができない。公称電圧は３.７Ｖである。本実施形態は、１８６５０仕様のリチウムイオン単電池であり、現在の最良の公称容量は、３４００ｍＡｈである。本実施形態における電池パックのエネルギーを計算するための計算式（volt*mAh/1,000=Wh）は、完全に充電された４.２ボルトに基づいている。

二次リチウムイオン電池は、リチウム元素の酸素親和性が強いため、水の酸素原子と激しく反応することができる。従って、電解液は、無酸素のヘキサフルオロリン酸リチウム（LiPF₆）油溶性可燃性液体しか使用できなく、不燃性の水溶性電解液を採用できない。正極と負極の間に短絡融解が発生すると、高温により金属缶の上端の絶縁リングのシール性を破壊し、また、空気が浸透すると、リチウム化合物と浸透した空気中の酸素分子が激しく酸化反応して、火炎燃焼を引き起こし、爆発さえも起きる。このとき、油溶性電解液は燃焼促進剤の役割を果たし、これは、油溶性電解液リチウムイオン電池が燃えやすい重要な要素と欠点である。しかし、二次リチウムイオン電池のエネルギー密度は、水溶性電解液を使用した他の化学二次電池よりもはるかに高いため、燃焼や爆発の潜在的なリスクがあるにもかかわらず、電気車両は依然としてリスクと実用性との間の難しい選択である。民間航空の旅客機の規定により、リチウムイオン電池を含む電子製品は、機内に持ち込む必要があり、旅客機への預け入れができない。この規制は、貨物室に預け入れたリチウムイオン電池のリスクを制御できないという要因を考慮したものである。

二次リチウムイオン単電池の電極プレートは短絡で融解しても、空気中の酸素分子と接触していなければ、電極プレートだけが融解し、火炎又は爆発なしで電池の金属缶に高温だけが蓄積する。このとき、本発明の耐炎油の熱伝導性が役割を果たして単電池のコアに生じる瞬時的な融解高温を外に素早く分散させ、そして、本発明の耐炎油及び他の単電池の比熱容量により、上述した高温が吸収及び冷却されるため、短絡した単電池を燃焼させたり、爆発させたり、隣接する単電池の連鎖燃焼反応に波及したりすることはない。リチウムの融点は１８０°Cであり、耐炎油（ナフテン系鉱油）の燃焼点は３００°Ｃ以上である。電池電極プレートの融解したときの温度が、時間内に耐炎油を介して熱伝導、吸収、及び外界に放出され、かつ空気中の酸素分子から確実に隔離及び遮断された場合、短絡の発生により火炎燃焼になり、爆発の深刻な結果に発展することを防ぐことができる。本発明の耐炎油の製造に適用される物理法則は熱伝導効果であり、式は次のとおりである。
式：q = -k▽T（単位時間あたりの単位面積を通る熱量を計算する）
その中で、qはW・m^-2で表す熱流束密度であり、kはW・m^-1・K^-1で表す材料の熱伝導率であり、▽TはK・m^-1で表す温度勾配である。
本発明の耐炎油は液体であり、液体の熱伝導方式のほかには熱対流効果がある。並列接続の単電池が互いに密に隣接しているため、電池ブリックアセンブリ又は電池パックに注がれる耐炎油は、わずか２１％のスペースを占有し、且つ各単電池によって分離され、スリットによってのみ連通される。電池電極プレートの短絡による融解熱となる顕熱のエントロピーが、耐炎油の比熱容量(Specific heat Capacity)によって迅速に吸収及び伝達されるため、遅い対流効果を待たずに、高い融解熱が勾配方式で伝達し、隣接している室温の単電池で二次吸収され、従って、本実施形態では、熱対流効果はほとんど無視できる。
まず、図４に示すように、本発明では、２０個の単電池（１）を正極を上に向けて直立させ、これらの単電池を並列に接続して電池列（２１）を形成し、次に４個の電池列（２１）を並列に接続して、正極溶接シート（２２）と負極溶接シート（２３）を有する電池ブリック（２）を構成する。電池ブリック（２）は、同じ電位でわずか４.２ＶＤＣの電圧を持つ大容量の低電圧素子である。

次に、電池ブリック（２）の溶接と組み立ての詳細について説明する。電池ブリック（２）は、マトリックス状に並列に接続されているため、電池ブリック（２）における、正極溶接シート（２２）と負極溶接シート（２３）のスポット溶接点の位置が各単電池（１）の充放電経路に影響を与える。しかし、並列回路の回路長さが等距離でない場合、長回路と短回路のインピーダンスが等しくなくなり、必然的に充放電の時の各単電池の化学反応（効率）の程度に差が生じる。電池ブリック（２）の各単電池（１）の充放電経路に一致性がない場合、電池ブリック（２）の累積効果が長時間、複数回続いた充放電によって起きたら、比較的短い溶接回路のほうが、一部の単電池（１）の老朽化が加速する。単電池（１）の老朽化による過度の充放電は、公称容量が使い尽くす、或いは充放電を継続できなくなる。この問題を解決するために、本発明の電池ブリック（２）の溶接組み立てを図５に示す。

図５は、本発明の電池ブリック（２）の溶接組み立ての概略図である。電池ブリック（２）は、マトリックス状に並列に接続されている。図５において、理解を容易にするために、ほとんどの単電池（１）が省略されている。単電池の正極方向を例として、各単電池（１）は、正極電池キャップ（１１）をスポット溶接の溶接点（ＷＰ）（Welding Point）として使用し、導電シート（Ｃ）（導体片,Conducting strip）を溶接することによって他の隣接する正極電池キャップ（１１）に接続し、各単電池（1）が最短経路で接続されるようにする。各単電池（１）の正極に配置された各導電シート（Ｃ）は、全体として正極導電シートネットワーク（Positive-electrode Conducting-strip Network、ＰＣＮ）を形成する。同様に、各単電池（１）の負極に配置された各導電シート（Ｃ）は、全体として負極導電シートネットワーク（Negative-electrode Conducting-strip Network、ＮＣＮ）を形成する。本発明の好ましい実施形態において、電池ブリック（２）の対角位置に配置された二つの単電池（１）の一方に、単電池（１）の正極に溶接される正極溶接シート（２２）を配置し、対角に配置された他方の単電池（１）の負極に、その他方の単電池（１）の負極に溶接される負極溶接シート（２３）を配置して、電池ブリック（２）の正極と負極のリードの引き出し点を形成する。本発明の別の実施形態において、上述した正極導電シートネットワーク（ＰＣＮ）及び負極導電シートネットワーク（ＮＣＮ）を、それぞれ、正極導電プレート及び負極導電プレートに置き換えてもよく、これにより、各単電池（１）を二枚の導電プレートの間により安定して配置できる。なお、正極溶接シート（２２）及び負極溶接シート（２３）は、前述の実施形態と同じであり、それぞれ、電池ブリック（２）の対角位置にある二つの単電池（１）に配置されている。

又、図６に示すように、電池ブリック（２）を耐衝撃性ＰＣ電池ブリックの容器（３２）内に入れ、ヒューズ（３５）を含む電池ブリックの正極リード（３３）を正極溶接シート（２２）に溶接してＰＣ電池ブリックの容器（３２）から引き出す。更に、電池ブリックの負極リード（３４）を負極溶接シート（２３）に溶接し、ＰＣ電池ブリックの容器（３２）から引き出す。耐衝撃性ＰＣ電池ブリックの容器（３２）に耐炎油を満たし、耐衝撃性ＰＣ電池ブリックのカバー（３１）で密封して、４.２ＶＤＣの電圧、１.１４ｋWｈの容量を有する電池ブリックアセンブリ（３）を用意する。図７に示すように、電池ブリックアセンブリ（３）を、四つのユニットを一つのセットにすべて正極を上に向けて、直列に接続して電池パック（４）を組み立てる。電池パックは「直列接続」方式により、出力電圧が１６.８ＶＤＣに達し、容量が４.５６ｋWに達する。本発明の「外部直列接続」の組み立て技術により、電池パック（４）を内部の単電池の正極のすべてを上に向けて組み立てることができ、電解液の漏れのリスクを防ぐことができる。四つの電池ブリックアセンブリ（３）の電池ブリックの正極リード（３３）と電池ブリックの負極リード（３４）を直列に接続して、電池パック（４）を構成する。直列接続配線にはヒューズ（３５）が設けられるため、短絡が発生すると、ヒューズによって各電池ブリックアセンブリ（３）の直列接続を遮断することができる。また、各電池ブリックアセンブリ（３）の単電池が正極を上に直立し並列に組み合わせられているため、交通事故で押しつぶされて、耐衝撃性のＰＣプラスチック製電池ブリックの容器（３２）及び耐衝撃性ＰＣ電池ブリックのカバー（３１）の両方さえも破壊されても、せいぜい複数の単電池電極プレートの短絡（４.２Ｖ）による瞬間の顕熱のエントロピーを発生させ、電池連鎖短絡現象が起こらない。従来の「直列電池」と比べて、ヒューズによって１６.８ＶＤＣの短絡電流エネルギーを遮断できることにおいて異なる。電池ブリックアセンブリ（３）の内部は、耐炎油で満たされている。これにより、空気中の酸素が単電池電極プレートのリチウム元素に接触することを防ぎ、電池の瞬間的な高熱を伝導し吸収して、外部に放出することができ、耐炎油で満たされた電池パック（４）が燃焼又は爆発することを防ぐことができる。

最後に、前述の容量４.５６ｋWｈ、１６.８ＶＤＣの電池パック（４）を２０個を１単位として、すべて正極を上に向け、電気車両の頑丈なシャーシの金属フレームに取り付ける。電池パックの正極リード（４３）と電池パックの負極リード（４４）を直列に接続して、電池パックのヒューズ（４５）を含む電池グループを構成する。その電池グループは、本実施形態の電気車両が数百キロメートルを走行することに十分であり、電圧が３３６ＶＤＣであり、容量が９１.４ｋWｈである。電気車両のシャーシフレームにおける２０個の電池パック（４）は、それぞれ、耐衝撃性ＰＣプラスチック電池パックの容器（４２）と同じ材料のＰＣ電池パックのカバー（４１）で密封され、耐炎油に浸されている。各電池パック（４）は、単電池を並列に接続してなる電池ブリックアセンブリ（３）で構成されており、更にすべての正極を上に向けて直立して組み立てられるため、誤って押しつぶされて損傷した場合でも、単電池（１）の電極プレート４．２Ｖの融解したときの温度（リチウムの融点は１８０℃）の蓄積のみを引き起こす。通常の使用条件下では、電気車両の偶発的な燃焼や爆発のリスクは、本発明の耐炎油、「区画並列接続」、「外部直列接続」及び単電池の正極を上に向けて直立するという斬新な設計によって克服でき、電気車両の安全性を効果的に改善できる。

本発明の主な特徴の一つは、電気車両用の電池パック内の単電池のいずれかが、電極プレートの短絡融解によって火炎燃焼ひいては爆発することを防ぐことができることである。本発明は、電気車両用の電池パックの元の安全保護素子を変更する必要がなく、熱伝導性、空気遮断性、高燃焼点、低粘度、良好な電気絶縁性を備えた耐炎油を現在の電池パックに追加するだけでよい。これにより、各単電池の周囲を耐炎油に浸漬させることにより、電気車両用の電池パックの耐炎と防爆の安全機能を提供し、電気車両の乗員の安全性を大幅に向上させる。

本発明の耐炎油は、ナフテン鉱油を低コストで精製又は合成することにより得られ、ナフテン鉱油本来の物理的性質を利用して、電気車両の安全性能を向上させる。本発明は、もちろん、進歩性及び産業上の利用可能性を有する発明であり、更に自然法則を利用した技術的思想に基づく新規な製造方法であり、「製造方法の特許により製造された物は製造方法を特許出願する前に国内外で知られていないもの」という発明特許要件を満たしている。

電気車両の電池パックの燃焼と爆発現象によると、電池を並列、直列などにより加工し組み合わせることにより、電圧を高め、エネルギーを増加させた後、特定の条件下（たとえば、電池の漏れによる電流の導通や交通事故による衝撃と押しつぶしなど）で短絡燃焼又は爆発が引き起こされる。直列に接続された電池の数が多いほど、電圧が高くなり、並列に接続された電池の数が多いほど、ワットアワーのエネルギーが大きくなる。本実施形態では、電圧は３３６ＶＤＣであり、完全に充電されたときのエネルギーは９１．４ｋWｈであり、このエネルギーは、１ヶ月間の一般家庭の電力需要量である。

本実施形態では、６４００個の単電池を並列及び「直列接続」して電池ブリックアセンブリを構成し（図６）、次に電池ブリックアセンブリを「直列接続」して電池パックを構成し（図７）、最後に２０個の電池パックを「直列接続」して「電池グループ」を構成する。完全に充電されたときのこの電池パックの電圧は３３６ＶＤＣであり、有効エネルギーは９１．４ｋWｈである。「区画並列接続」、「外部直列接続」、「正極を上に向ける」の方法で組み立てて、電池パック内のすべての単電池が「並列」構造になり、更に「外部直列接続」により、「直列接続」により電圧を上げることに相当する効果を実現する。本発明では、電圧を上昇させるために、区画分離の採用とヒューズ溶断メカニズムの追加により、電池の正極と負極が直接直列に接続されるリスクを回避できる。これにより、本発明の電池グループにおける６４００個の単電池は、すべて「並列」のときのゼロ電位差の状態にあることに相当し、短絡した場合、電池パックのいずれかの故障部分のサブ電圧は４.２Ｖである。直列電池の高電圧差の短絡エネルギーが現れ、大電流が瞬時に放出される燃焼リスクにつながることを避けるために、本発明の電池パックは、耐炎防爆性を備える。

以上の実施形態は、一つの単電池から始めて、熱伝導性や空気遮断性、電気絶縁性、重力効果などの自然法則を使用して、一つずつのステップの組み立ての実施を通じて、６４００個に達する、正極を上向きにした単電池からなる電気車両用の電池グループを構築でき、この電池グループが耐炎と防爆の安全性能を備えている。本発明の新規な電気車両用の電池パックの設計概念は、確実に、進歩性、新規性及び産業上の利用可能性を兼ね備えた製造方法である。

１ 単電池
２ 電池ブリック
３ 電池ブリックアセンブリ
４ 電池パック
１１ 正極電池キャップ
１２ 絶縁リング
１３ 負極電池缶
１４ 正極電極プレート
１５ 絶縁シート
１６ 負極電極プレート
２１ 電池列
２２ 正極溶接シート
２３ 負極溶接シート
３１、４１ カバー
３２、４２ 容器
３３、４３ 正極リード
３４、４４ 負極リード
３５、４５ ヒューズ
Ｃ 導電シート
ＮＣＮ 負極導電シート回路
Ｐ１ 単電池
Ｐ２ 電池ストリング
Ｐ３ 電池パック
ＰＣＮ 正極導電シート回路
WP スポット溶接の溶接点

Claims (14)

1. 電気車両用の耐炎防爆電池パックであって、
   正極溶接シート及び負極溶接シートを規定するように電気的に接続された複数の単電池からなる少なくとも一つの電池ブリックと、
   前記正極溶接シート及び前記負極溶接シートにそれぞれ電気的に接続された電池ブリックの正極リード及び電池ブリックの負極リードと、
   電気的に接続された前記複数の単電池を収容するのに十分な第一収容空間を規定する電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器と、を含み、
   前記複数の単電池はいずれも、正極を上に向けかつ負極を下に向けるよう前記第一収容空間に配置され、
   前記第一収容空間が耐炎油で満たされることで、電気的に接続された前記複数の単電池が前記耐炎油に浸され、かつ、前記電池ブリックの正極リードと前記電池ブリックの負極リードが前記第一収容空間外に露出されて電池ブリックアセンブリが構成される、電気車両用の耐炎防爆電池パック。
2. 第二収容空間を規定する電池パックのカバー及び電池パックの容器を更に含み、
   前記第二収容空間は、少なくとも二つの前記電池ブリックアセンブリを収容するのに十分であり、
   これらの電池ブリックアセンブリは、電池パックの正極リード及び電池パックの負極リードを規定するように電気的に接続され、前記電池パックの正極リードと前記電池パックの負極リードは前記第二収容空間外に露出させるように構成される、請求項１に記載の耐炎防爆電池パック。
3. 前記第二収容空間が前記耐炎油で満たされることで、電気的に接続された前記少なくとも二つの電池ブリックアセンブリが前記耐炎油に浸される、請求項２に記載の耐炎防爆電池パック。
4. 前記電池ブリックは、マトリックス状に並列に配置され、
   前記正極溶接シート及び前記負極溶接シートは、それぞれ前記電池ブリックの対角位置にある二つの単電池の正極または負極に溶接されている、請求項１に記載の耐炎防爆電池パック。
5. 前記複数の単電池は、前記正極溶接シート及び前記負極溶接シートを規定するように並列に配置される、請求項１に記載の耐炎防爆電池パック。
6. 電気車両用の耐炎防爆電池パックであって、
   複数の電池ブリックアセンブリと、電池パックのカバー及び電池パックの容器とを含み、
   前記複数の電池ブリックアセンブリのうちの各電池ブリックアセンブリは、電気的に並列に接続された複数の単電池からなる電池ブリックであって、前記複数の単電池が電池ブリックの正極リード及び電池ブリックの負極リードと電気的に接続される前記電池ブリックと、第一収容空間を規定する電池ブリックのカバー及び電池ブリックの容器であって、前記複数の単電池が正極を上に向けて組み合わせられ、かつ、前記第一収容空間に入れられ、前記電池ブリックの正極リードと前記電池ブリックの負極リードが前記第一収容空間外に露出された前記電池ブリックのカバー及び前記電池ブリックの容器と、を含み、
   前記電池パックのカバー及び前記電池パックの容器は第二収容空間を規定するものであって、前記複数の電池ブリックアセンブリは、正極を上に向けて組み合わせられ、前記第二収容空間に入れられ、かつ、電池パックの正極リード及び電池パックの負極リードを規定するように電気的に接続され、かつ、前記電池パックの正極リードと前記電池パックの負極リードは前記第二収容空間外に露出される、電気車両用の耐炎防爆電池パック。
7. 二つの電池ブリックアセンブリの電気接続の間に配置された少なくとも一つの電池ブリックヒューズを更に含む、請求項２又は６に記載の耐炎防爆電池パック。
8. 前記第二収容空間外に露出する前記電池パックの正極リードと前記電池パックの負極リードのうちのいずれか一つに配置された少なくとも一つの電池パックヒューズを更に含む、請求項２又は６に記載の耐炎防爆電池パック。
9. 前記第一収容空間又は前記第二収容空間が、耐炎油で満たされる、請求項６に記載の耐炎防爆電池パック。
10. 前記耐炎油は、パラフィン系鉱油、ナフテン系油、アロマティック系オイルの少なくとも一つで構成されている、請求項１又は９に記載の耐炎防爆電池パック。
11. 前記耐炎油は、熱伝導性、空気遮断性、電気絶縁性を有するものであって、燃焼点が３００°C以上であること及び引火点が２６５°C以上であることの両方のうちの少なくとも一つである、請求項１又は９に記載の耐炎防爆電池パック。
12. 前記電池パックのカバー及び前記電池パックの容器は、ポリカーボネート（Polycarbonate, PC）素材で構成されている、請求項１又は６に記載の耐炎防爆電池パック。
13. 請求項１に記載の耐炎防爆電池パックを製造するために使用される電気車両用の耐炎防爆電池パックの製造方法であって、
    前記耐炎油は、熱伝導性、空気遮断性、電気絶縁性を有するものであって、燃焼点が３００°C以上であること及び引火点が２６５°C以上であることの両方のうちの少なくとも一つである、製造方法。
14. 請求項６に記載の耐炎防爆電池パックを製造するために使用される電気車両用の耐炎防爆電池パックの製造方法であって、
    重力効果を利用して電解液の漏れを回避するよう前記単電池が正極を上に向けるように前記第一収容空間に組み付けられる、製造方法。