(57)【要約】【課題】簡素な構成で電池内部の異常が発生した際に、電池の反応を迅速に停止することを目的とする。【解決手段】車両１０の駆動モータ１２の電源として搭載された電池モジュール１００であって、内部に電解液が充填される電池セル１０２と、電池セルの内部の圧力または温度の少なくとも何れか一方が上昇した際に、電池セルの外周側の複数箇所から電解液に混合させることによって、当該電解液を硬化させる硬化剤を注入する安全装置１０４と、を備え、安全装置１０４は、硬化剤が充填される硬化剤貯留部１２１、１１４と、電池セル１０２の外周に複数設けられ、所定の圧力又は温度によって電池セルの内部に向けて開放可能な弁体１５５、１２２と、硬化剤貯留部から弁体のそれぞれに連結され、硬化剤が流動可能な注入管路１１６、１２３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に電解液が充填される電池セルと、
前記電池セルの内部の圧力又は温度の少なくとも何れか一方が上昇した際に、前記電池セルの外周側の複数箇所から前記電解液に混合させて該電解液を硬化させる硬化剤を注入する安全装置と、を有し、
前記安全装置は、
前記硬化剤が充填される硬化剤貯留部と、
前記電池セルの外周に複数設けられ、所定の圧力又は温度によって前記電池セルの内部に向けて開放可能な弁体と、
前記硬化剤貯留部から前記弁体のそれぞれに連結され、前記硬化剤が流動可能な注入管路と、を備えることを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記安全装置は、
前記電池セルの外周部に設けられ、前記電池セルの内部の圧力が上昇した際に開放可能な開放弁と、
一端が前記開放弁に連結され、他端が前記硬化剤貯留部の第一貯留部に連結され、内部に移動可能なピストンが設けられるシリンダ部と、
前記弁体を構成するとともに、所定の圧力で前記電池セルの内部に向けて開放可能な逆流防止弁と、
前記注入管路を構成するとともに、前記第一貯留部から前記逆流防止弁のそれぞれに連結され、前記硬化剤が流動可能な第一注入管路と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記安全装置は、前記硬化剤貯留部の第一貯留部から前記逆流防止弁のそれぞれに前記硬化剤を均一に注入することを特徴とする請求項２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記安全装置の硬化剤貯留部は、熱硬化性を有する硬化剤が充填される第二貯留部を備え、
さらに、前記弁体を構成するとともに、前記電池セルの内部が所定温度以上の場合に前記電池セルの内部に向けて開放可能なサーモスタット機能付き開閉弁と、
前記注入管路を構成するとともに、前記第二貯留部と前記サーモスタット機能付き開閉弁のそれぞれに連結され、前記熱硬化性の硬化剤が流動可能な第二注入管と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電池モジュール。
【請求項５】
車両の駆動モータの電源として搭載されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池等の電池に異常が発生した際に、当該電池の反応を停止する安全装置を備える電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を単電池（電池セル）とし、当該単電池の複数個を直列又は並列に接続した組電池を駆動電源として搭載して、当該二次電池の電力で駆動される駆動モータを動力源の１つとするハイブリッド自動車や電気自動車が広く開発されている。電気自動車の車載電源等では、高容量の電池が要求されており、電池性能の向上を図るため、電解液として可燃性を有する有機溶媒を用いた非水電解液タイプの密閉型リチウムイオン二次電池が使用されている。
【０００３】
密閉型リチウムイオン二次電池では、例えば、異常な高温環境下にさらされた場合や、充電装置の故障等により過充電状態に達した場合の電池異常時に、温度上昇により非水電解液の分解や気化が生じて電池内圧が上昇し、電池容器の変形等に到る場合がある。このようなトラブルを未然に防ぐために、電池の反応を停止させて、反応に関与するイオンの反応を抑制する手法が行われている。特許文献１及び特許文献２には、電池の安全性を高めるために、電池内部に反応停止材や消化剤を封入して、電池内部の反応を停止させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−１６４１８号公報
【特許文献２】特許４９０７３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リチウムイオン電池は、上限電圧を越えて充電（過充電）したり、下限電圧を越えて放電（過放電）すると、電解液の分解によって電池内圧が上昇して安全弁が作動したり、金属リチウムの電析や集電部の溶解・析出によって内部短絡が発生する等の問題を生じる場合がある。また、過充電状態等における温度上昇の際に、電池容器が破損した場合には、電池から噴出したガスや漏液した非水電解液が内部短絡や外部火点により発煙に至る虞もある。特許文献１及び特許文献２では、電池内部の発熱により発火した際に、電池内部に反応停止材や消化剤を封入して鎮火する電池運転の安全対策に関しては、言及しているが、電池内部の昇温、昇圧した段階における電池異常対策に関しては、言及していない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で電池内部の異常が発生した際に、電池の反応を迅速に停止することの可能な、新規かつ改良された電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するため、本発明は、内部に電解液が充填される電池セルと、前記電池セルの内部の圧力又は温度の少なくとも何れか一方が上昇した際に、前記電池セルの外周側の複数箇所から前記電解液に混合させて該電解液を硬化させる硬化剤を注入する安全装置と、を有し、前記安全装置は、前記硬化剤が充填される硬化剤貯留部と、前記電池セルの外周に複数設けられ、所定の圧力又は温度によって前記電池セルの内部に向けて開放可能な弁体と、前記硬化剤貯留部から前記弁体のそれぞれに連結され、前記硬化剤が流動可能な注入管路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、電池内部の圧力上昇や温度上昇等の異常が発生した際に、電池セルの電解液に硬化剤を注入することによって電解液を硬化させるので、電池の反応を迅速に停止できる。
【０００９】
このとき、本発明では、前記安全装置は、前記硬化剤が充填される硬化剤貯留部と、前記電池セルの外周に複数設けられ、所定の圧力又は温度によって前記電池セルの内部に向けて開放可能な弁体と、前記硬化剤貯留部から前記弁体のそれぞれに連結され、前記硬化剤が流動可能な注入管路と、を備えるので、電池内部の圧力上昇や温度上昇等の異常が発生した際に、硬化剤貯留部から注入管路を通って電池セルの内部に向けて開放可能な弁体を介して、硬化剤を確実に注入することができる。
【００１０】
また、本発明において好ましくは、前記安全装置は、前記電池セルの外周部に設けられ、前記電池セルの内部の圧力が上昇した際に開放可能な開放弁と、一端が前記開放弁に連結され、他端が前記硬化剤貯留部の第一貯留部に連結され、内部に移動可能なピストンが設けられるシリンダ部と、前記弁体を構成するとともに、所定の圧力で前記電池セルの内部に向けて開放可能な逆流防止弁と、前記注入管路を構成するとともに、前記第一貯留部から前記逆流防止弁のそれぞれに連結され、前記硬化剤が流動可能な第一注入管路と、を備えるとよい。
【００１１】
このようにすれば、電池内部の圧力が上昇した際に、その内圧上昇に連動して、電池セルの内部に硬化剤を注入されるので、確実に電解液を硬化させて電池の反応を停止できる。
【００１２】
また、本発明において好ましくは、前記安全装置は、前記硬化剤貯留部の第一貯留部から前記逆流防止弁のそれぞれに前記硬化剤を均一に注入するとよい。
【００１３】
このようにすれば、電池セルの内部において均一に電解液を硬化させるので、電池の反応を効率的に停止させることができる。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、前記安全装置の硬化剤貯留部は、熱硬化性を有する硬化剤が充填される第二貯留部を備え、さらに、前記弁体を構成するとともに、前記電池セルの内部が所定温度以上の場合に前記電池セルの内部に向けて開放可能なサーモスタット機能付き開閉弁と、前記注入管路を構成するとともに、前記第二貯留部と前記サーモスタット機能付き開閉弁のそれぞれに連結され、前記熱硬化性の硬化剤が流動可能な第二注入管と、を備えるとよい。
【００１５】
このようにすれば、電池内部の温度が上昇した際に、その温度上昇に連動して、電池セルの内部に、第二貯留部からサーモスタット機能付き開閉弁を介して熱硬化性の硬化剤を注入されるので、確実に電解液を硬化させて電池の反応を停止できる。
また、異常発生に連動して、電解液に硬化剤が注入されるので、当該硬化剤が発熱した電解液を冷却する冷媒の機能も発揮することによって、異常発生時の安全性をより高めることができる。
【００１６】
また、電池内部の圧力が上昇した際に、その内圧上昇に連動して、電池セルの内部に硬化剤を注入するとともに、電池内部の温度が上昇した際に、その温度上昇に連動して、電池セルの内部に硬化剤を注入することによって、電池内部の温度が上昇した際、または電池内部の圧力が上昇した際の何れの場合においても電池セルの外周全体から電池内部に硬化剤を注入して、電池の反応を停止できるので、二次電池の異常発生時における安全性が高まる。
【００１７】
また、本発明の一態様では、車両の駆動モータの電源として搭載されたこととしてもよい。
【００１８】
このようにすれば、電池モジュールを搭載した電気自動車やハイブリッド自動車等の車両の電池によるトラブルを低減できる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、簡素な構成で電池内部の異常が発生した際に、電池の反応を確実に停止できるので、電池の安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池モジュールを搭載した電気自動車の模式的な側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの概略構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの動作説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールを搭載した電気自動車の模式的な側面図である。本実施形態に係る車両１０は、例えば電気自動車あるいはハイブリッド自動車等の電動車両であって、本発明の一実施形態の電池モジュール１００が搭載されている。
【００２３】
電池モジュール１００は、電気自動車１０に搭載される駆動モータ１２を駆動するための電源（バッテリ）として使用される。電池モジュール１００は、多数（例えば１００個）のリチウムイオン等の二次電池１０２（以下、単独のリチウムイオン二次電池を電池セルという。）が直列接続された組電池、又は、直列と並列とを併用して接続された組電池の状態で使用されている。
【００２４】
電池セル１０２は、例えば、リチウムイオン蓄電池であり、複数個ずつまとめてケース内に収納されてモジュール化されている。なお、電池セル１０２は、リチウムイオン蓄電池に限らず、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池等の二次電池セルであってもよい。
【００２５】
また、本実施形態では、電池モジュール１００は、電池セル１０２の内部の圧力及び温度の少なくとも何れか一方が上昇した際に、電池セル１０２の電解液を硬化させるエポキシ樹脂等の硬化剤を注入する安全装置１０４を備える。すなわち、本実施形態の電池モジュール１００は、安全装置１０４を備えることよって、電池内部の圧力上昇や温度上昇等の異常が発生した際に、当該安全装置１０４が電池セル１０２の電解液に硬化剤を注入して硬化させて、電池の反応を迅速に停止することを特徴とする。
【００２６】
次に、本実施形態の電池モジュールの構成について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールの概略構成図である。本実施形態の電池モジュール１００は、電池セル１０２と、安全装置１０４と、を備え、これらがケース１０６に収納されている。
【００２７】
電池セル１０２は、不図示の正極と負極がセパレータを介して対向し、電解液が注入された構造である。本実施形態では、電池セル１０２には、電解液として、例えばヘキサフルオロリン酸リチウム (ＬｉＰＦ６)等のリチウム塩電解質を有機溶媒中に溶かした非水系の電解液が充填されている。また、正極には、例えば、マンガン酸リチウムやコバルト酸リチウムといった遷移金属酸化物が使用され、負極には、例えば、炭素系材料が使用されている。
【００２８】
安全装置１０４は、電池セル１０２の内部の圧力または温度の少なくとも何れか一方が上昇した際に、電池セル１０２の外周側の複数箇所から電解液を硬化させる硬化剤を注入することによって、電池の反応を停止させる。
本実施形態では、安全装置１０４は、電池セル１０２の内部の圧力が上昇した際に、電池セル１０２の内部に硬化剤を注入する圧力用安全装置１１０と、電池セル１０２の内部の温度が上昇した際に、電池セル１０２の内部に硬化剤を注入する温度用安全装置１２０と、を備える。
【００２９】
圧力用安全装置１１０は、図２に示すように、開放弁１１１と、ピストン１１２と、シリンダ部１１３と、硬化剤貯留部（第一貯留部）１１４と、逆流防止弁（弁体）１１５と、及び注入管路（第一注入管路）１１６とを備える。開放弁１１１は、電池セル１０２の外周側に設けられ、一定の圧力が加わると電池セル１０２の外部に向けて解放される構造である。すなわち、開放弁１１１は、電池セル１０２の内部の圧力が上昇した際に開放可能な構造となっている。
【００３０】
ピストン１１２は、一端が開放弁１１１に連結され、他端が硬化剤貯留部１１４に連結されたシリンダ部１１３の内部にスライドしながら移動可能になっており、電池セル１０２の内部の圧力が上昇した際に開放弁１１１から硬化剤貯留部１１４に向けて移動する。硬化剤貯留部１１４は、１液型エポキシ樹脂等の硬化剤が充填されており、当該硬化剤は、シリンダ部１１３の硬化剤貯留部１１４とピストン１１２との間の部位にも侵入している。なお、本実施形態では、硬化剤として１液型エポキシ樹脂を使用した例を説明しているが、２液型エポキシ樹脂を使用することも可能である。
【００３１】
また、後述する熱硬化性を有する硬化剤を貯留する熱硬化性硬化剤貯留部１２１とは異なり、この硬化剤貯留部１１４に貯留される硬化剤は、常温で硬化性を有する硬化剤が主に貯留され、また、電池の種類（水系、非水系）に応じて適した硬化剤が貯留されている。
【００３２】
逆流防止弁１１５は、電池セル１０２の外周に複数設けられ、所定の圧力で電池セル１０２の内部に向けて開放可能な弁体である。逆流防止弁１１５は、硬化剤が流動可能な管路部材である注入管路１１６を介して、硬化剤貯留部１１４と連結している。本実施形態では、逆流防止弁１１５の作動圧は、開放弁１１１の作動圧よりも大きくなるように構成されている。このため、電池セル１０２の内圧が高くなっても、注入管路１１６に電池セル１０２内のガスが侵入しないようになっている。また、本実施形態では、圧力用安全装置１１０は、硬化剤貯留部１１４から逆流防止弁１１５のそれぞれに硬化剤を均一に注入するようになっている。
【００３３】
圧力用安全装置１１０を上述した構成とすることによって、電池セル１０２の内部の圧力が上昇した際に、図３に示すように、開放弁１１１が開放されて、ピストン１１２が硬化剤貯留部１１４の方向に押圧されながら移動する。すると、シリンダ部１１３の硬化剤貯留部１１４側に滞留している硬化剤が硬化剤貯留部１１４に移動して、その移動分の硬化剤が注入管路１１６を経て、各逆流防止弁１１５から電池セル１０２内に注入される。
なお、上述の各逆流防止弁１１５から硬化剤を均一に注入する手法として、硬化剤貯留部１１４から近い逆流防止弁１１５ほど注入管路１１６の流路断面積を小さく、遠い逆流防止弁１１５ほど注入管路１１６の流路断面積を大きくして流路抵抗に差を設ける手法や、硬化剤貯留部１１４から遠い逆流防止弁１１５ほど開弁圧を低くしておくことで硬化剤の注入圧力が低下しやすい逆流防止弁１１５からの注入性を向上する手法などが挙げられる。
【００３４】
このため、電池内部の圧力が上昇した際に、その内圧上昇に連動して、電池セル１０２の内部に硬化剤を注入されるので、確実に電池セル１０２内の電解液を硬化させて電池の反応を停止できる。また、本実施形態では、圧力用安全装置１１０は、硬化剤貯留部１１４から逆流防止弁１１５のそれぞれに硬化剤を均一に注入するので、より効率よく均一に電解液を硬化させるので、電池の反応をより迅速かつ確実に停止させることができる。
【００３５】
一方、温度用安全装置１２０は、図２に示すように、熱硬化性硬化剤貯留部（第二貯留部）１２１と、サーモスタット機能付き開閉弁（弁体）１２２と、及び注入管路（第二注入管路）１２３とを備える。熱硬化性硬化剤貯留部１２１は、例えば、１液型熱硬化性エポキシ樹脂等の熱硬化性を有する硬化剤が電池内圧、すなわち電池セル１０２の内圧よりも十分に高い圧力で充填されている。すなわち、電池セル１０２内の圧力がある程度上昇しても開弁時に硬化剤が注入できるようになっている。
【００３６】
サーモスタット機能付き開閉弁１２２は、電池セル１０２の外周に複数設けられ、電池セル１０２の内部が所定の温度以上の場合に、電池セル１０２の内部に向けて開放可能な弁体である。注入管路１２３は、熱硬化性硬化剤貯留部１２１からサーモスタット機能付き開閉弁１２２のそれぞれに連結され、硬化剤が流動可能な管路部材である。
【００３７】
温度用安全装置１２０を上述した構成とすることによって、電池内部の温度が上昇した際に、図４に示すように、一定温度以上になると開くサーモスタット機能付き開閉弁１２２が熱を感知して開く。すると、電池セル１０２の内圧よりも高い圧力で熱硬化性硬化剤貯留部１２１に充填されている熱硬化性を有する硬化剤が、開放されたサーモスタット機能付き開閉弁１２２を介して、電池セル１０２の内部に注入される。このようにして、電池セル１０２の内部の温度上昇に連動して、硬化剤を電解液に注入するので、確実に電解液を硬化させて電池の反応を停止できる。
【００３８】
また、本実施形態では、温度用安全装置１２０では、電池セル１０２への硬化剤の注入口となる開閉弁として、所定の温度以上に達したら開放するサーモスタット機能付き開閉弁１２２を使用している。このため、電池セル１０２の温度上昇の異常が発生した箇所だけに向けて局所的に硬化剤を注入できるので、電池温度上昇の異常が発生した部位への電池反応停止をより的確に実行されるようになる。
【００３９】
このように、本実施形態では、電池セル１０２の著しい劣化等により内圧や温度が上昇する異常発生時に、当該異常発生と連動して安全装置１０４によって、エポキシ樹脂等の硬化剤を電池セル１０２の電解液に注入することによって、二次電池の反応を停止させる。すなわち、本実施形態の電池モジュール１００は、電池異常時の主現象である温度と圧力の上昇を利用して、それぞれの現象に連動させて電池反応を停止させることを特徴とする。
【００４０】
また、本実施形態では、安全装置１０４として、内圧上昇対策用の圧力用安全装置１１０と、温度上昇対策用の温度用安全装置１２０の２系統が設けられているので、電池内圧が高い場合と、電池内温度が高い場合のそれぞれに連動して、電池反応を停止させることができる。
【００４１】
すなわち、電池セル１０２内の電解液の分解等により電池内部の圧力が高くなった場合には、開放弁１１１が開いて、ピストン１１２が押されて、それに付随して逆流防止弁１１５が開放し、電池内部に1液型エポキシ樹脂等の硬化剤が流入する。このため、電池内部で電解液が硬化して、電解液のイオンの流れが滞って電池反応を停止するので、二次電池の内圧上昇による異常発生時における安全性が高まる。
【００４２】
また、電池セル１０２が内部短絡や過充電等で高温になった場合には、サーモスタット機能付き開閉弁１２２が動作して、１液型の熱硬化性エポキシ樹脂等の熱硬化性硬化剤が電池内部に流入する。このため、温度上昇と連動して電解液に注入された熱硬化性硬化剤が電池内部で熱により硬化し、電解液のイオンの流れが滞って電池反応を停止するので、二次電池の温度上昇による異常発生時における安全性が高まる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、圧力用安全装置１１０と温度用安全装置１２０のそれぞれが電池セル１０２の外周全体から電池の反応を停止させるための硬化剤を注入する構成となっている。このため、より効率よく電池内部に各硬化剤を注入して、電池の反応を停止できるので、二次電池の異常発生時における安全性が高まる。また、異常発生に連動して、電解液に硬化剤が注入されるので、当該硬化剤が発熱した電解液を冷却する冷媒の機能も発揮することによって、異常発生時の安全性をより高める。
【００４４】
上述した本実施形態では、非水系のリチウムイオン電池に適用した場合について、説明しているが、本発明の電池モジュールは、ニッケル水素電池等の水系電池にも適用可能である。水系電池に適用する場合には、内圧上昇対策用の圧力用安全装置１１０では、硬化剤としてアロンアルファ（登録商標）等の瞬間接着剤を使用し、温度上昇対策用の温度用安全装置１２０では、１液型のエポキシ樹脂を使用する。
【００４５】
なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００４６】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、電池モジュール、電池セル及び安全装置の構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００４７】
例えば、本実施形態では、圧力用安全装置１１０と温度用安全装置１２０とが共に設けられて、電池セル１０２の外周全体から電池の反応を停止させるための硬化剤を注入する構成となっているが、圧力用安全装置１１０だけ、または温度用安全装置１２０だけを設置する構成として、システムの簡素化を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１０        車両
１２        駆動モータ
１００      電池モジュール
１０２      電池セル
１０４      安全装置
１０６      ケース
１１０      圧力用安全装置
１１１      開放弁
１１２      ピストン
１１３      シリンダ部
１１４      硬化剤貯留部（第一貯留部）
１１５      逆流防止弁（弁体）
１１６      第一注入管（注入管路）
１２０      温度用安全装置
１２１      熱硬化性硬化剤貯留部（第二貯留部）
１２２      サーモスタット機能付き開閉弁（弁体）
１２３      第二注入管（注入管路）
【図１】
2014229523.tif 000003
【図２】
2014229523.tif 000004
【図３】
2014229523.tif 000005
【図４】
2014229523.tif 000006