(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池を備えた電池パックであって、
前記複数の素電池は、向きを揃えて配列されており、
前記各素電池は、第１の安全弁と、該第１の安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を有し、
前記各素電池の第１の安全弁は、それぞれ第１の排気経路に接続され、
前記各素電池の第２の安全弁は、それぞれ第２の排気経路に接続され、
前記第１の排気経路と前記第２の排気経路とは、互いに空間的に分離されており、
前記第１の安全弁が作動したときの該第１の安全弁の開口面積は、前記第２の安全弁が作動したときの該第２の安全弁の開口面積に対して、１０分の１以下である、電池パック。
【請求項２】
前記第１の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量は、前記第２の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量よりも小さい、請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記第１の安全弁が作動したときの該第１の安全弁の開口面積は、前記第２の安全弁が作動したときの該第２の安全弁の開口面積に対して、２０分の１以下である、請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
複数の素電池を備えた電池パックであって、
前記複数の素電池は、向きを揃えて配列されており、
前記各素電池は、第１の安全弁と、該第１の安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を有し、
前記各素電池の第１の安全弁は、それぞれ第１の排気経路に接続され、
前記各素電池の第２の安全弁は、それぞれ第２の排気経路に接続され、
前記第１の排気経路と前記第２の排気経路とは、互いに空間的に分離されており、
前記第１の安全弁は、少なくとも、前記第２の安全弁の作動時に閉塞している、電池パック。
【請求項５】
前記複数の素電池はケース内に収容されており、
前記第１の安全弁は、前記素電池の一端側に設けられており、
前記第２の安全弁は、前記素電池の他端側に設けられており、
前記ケースは、前記素電池の一端側に配設された第１の区画壁、及び前記素電池の他端側に配設された第２の区画壁によって、前記第１の排気経路、前記複数の素電池を収容する収容部、及び前記第２の排気経路に区画されている、請求項１に記載の電池パック。
【請求項６】
前記第１の排気経路または第２の排気経路部内に、ガス吸収剤、消火剤又は冷却剤の少なくともいずれかが設置されている、請求項１に記載の電池パック。
【請求項７】
前記第１の排気経路または第２の排気経路内に、温度センサ又はガス検知センサの少なくともいずれかが設置されている、請求項１に記載の電池パック。
【請求項８】
前記第２の排気経路の少なくとも一部は、耐熱材または難燃材で構成されている、請求項１に記載の電池パック。
【請求項９】
前記第２の排気経路は、前記第１の排気経路よりも気密性の高い構造となっている請求項１に記載の電池パック。
【請求項１０】
前記第１の排気経路は、前記第１の安全弁から排出されたガスを外部に排出する第１の排出口を有し、
前記第２の排気経路は、前記第２の安全弁から排出されたガスを外部に排出する第２の排出口を有し、
前記第２の排気経路を通過するガスの圧力損失は、前記第１の排気経路を通過するガスの圧力損失よりも小さい、請求項１に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の二次電池を備えた電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。また、汎用的な電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上する。さらに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットも有する。【０００３】
一方、電池パックに収容する電池の高性能化に伴い、電池単体の安全性確保に加え、複数の電池が集合した電池パックにおける安全性確保も重要になってくる。特に、電池内での内部短絡等による発熱でガスが発生し、安全弁が作動して高温ガスが電池外に放出された場合、周辺の電池が高温ガスに曝されると、正常な電池にまで影響を与え、連鎖的な劣化を引き起こすおそれがある。【０００４】
このような問題に対して、特許文献１には、複数の電池を収容しているケースを、区画壁によって、電池を収容する電池室と、電池から放出される高温ガスを排気する排出室とに区画するとともに、電池の安全弁の開口部を排気室に連通させた構成の排気機構を備えた電源装置が記載されている。排気機構をこのように構成することによって、異常時に電池の安全弁から放出される高温ガスを電池室に流入させることなく排気室に流入させて、ケースの排出口からケース外に排出させることができる。これにより、電池室に高温ガスが充満することで周辺の電池が高温状態に曝されることを防止でき、正常な電池に与える影響を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された排気機構は、排気室を電池室と隔離することによって、電池の開口部から排出室に流入した高温ガスが電池と接触することを防止できるため、正常な電池の連鎖的な劣化を低減できる点では優れている。【０００７】
ところで、安全弁が作動する事象には、いくつかの原因がある。例えば、通常使用時においては、高温保存や繰り返しの充放電に伴う電池内圧の上昇によって安全弁が作動する。この場合、安全弁から電解液や可燃ガスが排出される。また、内部短絡等の異常時においては、初期段階では、電池内部で比較的低温でかつ緩やかにガスが発生することによって安全弁が作動する。この場合、安全弁から電解液や可燃ガスが排出されるが、その以後、電池内部で高温ガスが急激に発生して、安全弁から高温ガスが排出される。【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された複数の電池の安全弁は、１つの共通した排気室に連通している。そのため、異常の発生した電池の安全弁が作動して、高温ガスが排気室内に排出されたとき、異常の発生した電池から初期段階で排出された電解液や可燃ガスが排気室内に残存している可能性がある。あるいは、通常使用時に安全弁が作動した他の電池から排出された電解液や可燃ガスが排気室内に存在している可能性がある。【０００９】
このような場合、異常の発生した電池の安全弁から排気室に排出された高温ガスが、既に排気室内に存在している電解液や可燃ガスと混合し、その結果、可燃ガス等と急激な反応が起こり、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすおそれがある。【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みなされたものであり、その主な目的は、複数の二次電池を備えた電池パックにおいて、電池から排出された電解液や可燃ガスと高温ガスとが排気経路内で混合することを防ぎ、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすことを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電池パックは、向きを揃えて配列された複数の素電池を備え、各素電池は、第１の安全弁と、該第１の安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を有し、各素電池の第１の安全弁は、それぞれ第１の排気経路に接続され、各素電池の第２の安全弁は、それぞれ第２の排気経路に接続され、第１の排気経路と第２の排気経路とは、互いに空間的に分離されており、第１の安全弁が作動したときの該第１の安全弁の開口面積は、第２の安全弁が作動したときの該第２の安全弁の開口面積に対して、１０分の１以下であることを特徴とする。
【００１２】
このようにすると、通常使用時の電池内部の圧力上昇や、異常時の初期段階における緩やかなガスの発生によって、作動圧の低い第１の安全弁が作動し、第１の安全弁から排出される電解液や可燃ガスは、第１の安全弁に接続された第１の排気経路に流入し、さらに電池パック外に排出される。一方、異常時の急激な高温ガスの発生によって、作動圧の高い第２の安全弁が作動し、第２の安全弁から排出される高温ガスは、第２の安全弁に接続された第２の排気経路に流入し、さらに電池パック外に排出される。すなわち、電池から排出されるガス等の状態に応じて、作動圧の異なる２つ安全弁を電池に設け、かつ、２つの安全弁を、互いに空間的に分離された２つ排気経路に接続することによって、電池から排出された高温ガスと、電解液や可燃ガスとを互いに分離して、それぞれ電池パック外に排出することができる。これにより、排気経路に排出された高温ガスが、排気経路内で、電解液や可燃ガスと混合するのを防止でき、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすのを低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の二次電池を備えた電池パックにおいて、異常時に排気経路に排出された高温ガスが、排気経路内で電解液や可燃ガスと混合するのを防止することができ、これにより、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすのを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態における電池パックに使用する素電池の構成を示した断面図、（ｂ）は、本実施形態における電池パックに使用する素電池の底面図である。
【図２】本発明の一実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態における素電池の構成を示した断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態における素電池の構成を示した断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の他の実施形態における素電池の安全弁の作動を説明した断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の電池パックは、向きを揃えて配列された複数の二次電池を備え、各二次電池は、第１の安全弁と、該第１の安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を有し、各二次電池の第１の安全弁は、それぞれ第１の排気経路に接続され、各二次電池の第２の安全弁は、それぞれ第２の排気経路に接続され、第１の排気経路と第２の排気経路とは、互いに空間的に分離されている。
【００１６】
このように、電池から排出されるガス等の状態に応じて、電池に、作動圧の異なる２つの安全弁を設け、かつ、２つの安全弁を、互いに空間的に分離された２つの排気経路に接続することによって、排気経路に排出された高温ガスが、排気経路内で、電解液や可燃ガスと混合するのを防止できるため、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすのを低減することができる。
【００１７】
本発明において、第１の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量は、第２の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量よりも小さいことが好ましい。
【００１８】
これにより、電池内で発生した高温ガスの圧力が上昇して、第２の安全弁が作動したとき、高温ガスは、もっぱら第２の排気経路に排出され、第１の排気経路にはほとんど排出されない。仮に、高温ガスが第１の排気経路に排出されても、高温ガスの量が少なく、熱容量としては非常に小さいため、高温ガスの熱は、第１の排気経路を構成する部材や、第１の排気経路内に存在する空気等に吸収されて、高温ガスの温度は、電解液や可燃ガスと急激な反応をするだけの温度を保つことができない。その結果、万一、第１の排気経路に高温ガスが排気されても、第１の排気経路に存在する電解液や可燃ガスと混合して、急激な反応をするのを防止することができる。
【００１９】
また、第１の安全弁が作動したときの該第１の安全弁の開口面積は、第２の安全弁が作動したときの該第２の安全弁の開口面積よりも小さいことが好ましい。これにより、第１の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量を、第２の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量よりも小さいことを容易に実現することができる。
【００２０】
ここで、第１の安全弁が作動したときの該第１の安全弁の開口面積は、第２の安全弁が作動したときの該第２の安全弁の開口面積に対して、１０分の１以下、より好ましくは、２０分の１以下であることが好ましい。これにより、電池内で発生した高温ガスの圧力が上昇して、第２の安全弁が作動したとき、第１の排気経路に高温ガスが排出されるのを、ほとんど抑制することができる。
【００２１】
また、第１の安全弁は、少なくとも、第２の安全弁の作動時に閉塞していることが好ましい。これにより、電池内で発生した高温ガスの圧力が上昇して、第２の安全弁が作動したとき、第１の排気経路に高温ガスが排出されるのを確実に防止することができる。その結果、第１の排気経路内で、高温ガスが電解液や可燃ガスと混合して、急激な反応をするのを確実に防止することができる。
【００２２】
ある好適な実施形態において、複数の二次電池はケース内に収容されており、第１の安全弁は、二次電池の一端側に設けられており、第２の安全弁は、二次電池の他端側に設けられており、ケースは、二次電池の一端側に配設された第１の区画壁、及び二次電池の他端側に配設された第２の区画壁によって、第１の排気経路、複数の素電池を収容する収容部、及び第２の排気経路に区画されている。これにより、第１の排気経路と第２の排気経路とを、互いに空間的に分離することができる。
【００２３】
また、第１の排気経路内または第２の排気経路内に、ガス吸収剤、消火剤又は冷却剤の少なくともいずれかが設置されていることが好ましい。これにより、第１の安全弁が作動したとき、第１の排気経路に排出された電解液や可燃ガスは、ガス吸収材により、速やかに吸収されるため、第１の排気経路内に残留する電解液や可燃ガスの量を大幅に減少させることができる。その結果、第２の安全弁が作動し、高温ガスの一部が第１の排気経路に排出されても、高温ガスが電解液や可燃ガスと急激に反応するのを防止することができる。また、万一、高温ガスが電解液や可燃ガスと急激な反応が起こった場合でも、消火剤により、速やかにその反応が停止されるため、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすのを低減することができる。
【００２４】
また、第１の排気経路内または第２の排気経路内に、温度センサ又はガス検知センサの少なくともいずれかが設置されていることが好ましい。これにより、第１の排気経路内に電解液や可燃ガスが流入した場合や、第２の排気経路内に高温ガスが流入した場合において、排気経路内に設置したセンサにより電池パック内の異常を検知することができる。その結果、電池パックで異常が発生した場合、電池パックが搭載された機器等に対して迅速に安全処置を施すことができる。
【００２５】
また、第２の排気経路の少なくとも一部は、耐熱材または難燃材で構成されていることが好ましい。これにより、第２の排気経路に高温ガスが流入した場合において、高温ガスの熱による第２の排気経路の変形や損傷により、高温ガスが、素電池を収容する収容部や、収容部を介して第１の排気経路に流出することを防止することができる。その結果、収容部に収容された素電池が高温ガスに爆されることや、第１の排気経路内に存在する電解液や可燃ガスが高温ガスと混合することを防止できる。
【００２６】
また、第２の排気経路は、第１の排気経路よりも気密性の高い構造となっていることが好ましい。これにより、第２の排気経路に高温ガスが流入した場合において、高温ガスが、素電池を収容する収容部や、収容部を介して第１の排気経路に流出することを防止することができる。その結果、収容部に収容された素電池が高温ガスに爆されることや、第１の排気経路内に存在する電解液や可燃ガスが高温ガスと混合することを防止できる。
【００２７】
また、第１の排気経路は、第１の安全弁から排出されたガスを外部に排出する第１の排出口を有し、第２の排気経路は、第２の安全弁から排出されたガスを外部に排出する第２の排出口を有し、第２の排気経路を通過するガスの圧力損失は、第１の排気経路を通過するガスの圧力損失よりも小さいことが好ましい。これにより、第２の排気経路内に高温ガスが流入した場合、第２の排気経路内のる圧力上昇を低く抑えることができ、第２の排気経路の変形や損傷を防止できる。その結果、高温ガスが、素電池を収容する収容部や、収容部を介して第１の排気経路に流出することを防止でき、収容部に収容された素電池が高温ガスに爆されることや、第１の排気経路内に存在する電解液や可燃ガスが高温ガスと混合することを防止できる。
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００２９】
＜素電池＞
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電池パックに使用する素電池１００の構成を模式的に示した断面図である。（以下、電池パックに使用する電池を、「素電池」と呼ぶ）。
【００３０】
本発明の電池パックに使用する素電池１００は、例えば、図１（ａ）に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用することができる。一般的にリチウムイオン二次電池は、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、ガスを電池外に放出する安全機構を備えている。以下、図１（ａ）、（ｂ）を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、正極１と負極２とがセパレータ３を介して捲回された電極群４が、非水電解液（図示せず）とともに、電池ケース７に収容されている。電極群４の上下には、絶縁板９、１０が配され、正極１は、正極リード５を介してフィルタ１２に接合され、負極２は、負極リード６を介して負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接合されている。
【００３２】
フィルタ１２は、インナーキャップ１３接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の排気弁１４に接合されている。さらに、排気弁１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、排気弁１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、電池ケース７の開口部を封口している。
【００３３】
排気弁１４には、素電池内の圧力が所定値に達したときに破断する薄肉部１４ａが形成されている。また、排気弁１４が破断した場合に、素電池内に発生したガスを外部に排出させるために、フィルタ１２にはフィルタ穴１２ａが、インナーキャップ１３には開口部１３ａが、端子板８には排気口８ａがそれぞれ形成されている。この排気弁１４とフィルタ１２、インナーキャップ１３、端子板８とで第１の安全弁が構成されている。このため、第１の安全弁の作動圧力は薄肉部１４ａが破断する圧力となる。また、第１の安全弁の開口面積は、素電池内部で発生したガスの通過経路であるフィルタ穴１２ａ、開口部１３ａ、排気口８ａおよび薄肉部１４ａの破断により形成される開口部の最小面積で決まる。
【００３４】
また、図１（ｂ）に示すように、電池ケース７の底部には、電池内の圧力が所定値に達したときに破断する薄肉刻印部１５ａが形成され、この電池ケース７の底部に形成された薄肉刻印部１５ａで第２の安全弁が構成されている。
【００３５】
ここで、電池ケース７の底部に形成された薄肉刻印部１５ａの破断圧力は、排気弁１４に形成された薄肉部１４ａの破断圧力よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第２の安全弁の作動圧は、第１の安全弁の作動圧よりも高く設定されている。また、電池ケース７の底部に形成された薄肉刻印部１５ａが破断したときに電池ケース７に形成される開口面積が第２の安全弁の開口面積となる。
【００３６】
素電池１００内の圧力が上昇すると、排気弁１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と排気弁１４との接合がはずれると、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、排気弁１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２のフィルタ穴１２ａ、インナーキャップ１３の開口部１３ａ、排気弁１４の薄肉部１４ａの破断部、そして、端子板８の排気口８ａを介して、外部へ排出される。
【００３７】
なお、本発明において「安全弁」は、電池内の圧力が上昇したときに、電池内に発生したガスを電池外に排気する機能を備えた機構を含み、図１（ａ）、（ｂ）で例示した形態に必ずしも限定されない。例えば、他の安全弁の構成として、特定圧力で開裂するガスケットやパッキンで電池を密閉する構成や、電池ケースの開口部に押しつけられた樹脂やスプリング等の弾性体で電池を密閉し、電池内の圧力上昇による弾性体の変形で生じる隙間からガスを外部に排気する構成等を採用することができる。
【００３８】
＜電池パック＞
図２は、本発明の一実施形態における電池パック２００の構成を模式的に示した断面図である。
【００３９】
電池パック２００は、複数の素電池１００がパックケース２０内に収容された構成を有している。なお、素電池１００は、向きを揃えて配列されており、それぞれ、収容部３０の内部に形成されたスペーサ４０によって、規制された位置に固定されている。また、素電池１００は、図１（ａ）、（ｂ）に示したように、素電池１００内に発生したガスを素電池外に排出する第１の安全弁の解放部である排気口８ａと、第２の安全弁の解放部である薄肉刻印部１５ａを備えている。
【００４０】
パックケース２０は、複数の素電池１００の一端側（本実施形態では、端子板８側）に配設された第１の区画壁５１および、素電池１００の他端側（本実施形態では、薄肉刻印部１５ａ側）に配設された第２の区画壁６１によって、複数の素電池１００を収容する収容部３０、素電池１００の排気口８ａから排出されるガスを第１の排出口５３からパックケース２０外に排気する第１の排気経路５０、及び素電池１００の薄肉刻印部１５ａ側から排出されるガスを第２の排出口６３からパックケース２０外に排気する第２の排気経路６０に区画されている。これにより、第１の排気経路５０と、第２の排気経路６０とは、互いに空間的に分離されている。また、第１の排出口５３と第２の排出口６３は、パックケース２０の異なる側面に形成されており、それぞれの排出口から排気されるガスが混合し難い配置となっている。
【００４１】
そして、素電池１００の排気口８ａは、第１の区画壁５１に形成された第１の接続経路５４を介して第１の排気経路５０に連通しており、第１の排気経路５０は、第１の区画壁５１とパックケース２０の上蓋となる第１の外装板５２との間で形成されている。同様に、素電池１００の薄肉刻印部１５ａは、第２の区画壁６１に形成された第２の接続経路６４を介して第２の排気経路６０に連通しており、第２の排気経路６０は、第２の区画壁６１とパックケース２０の下蓋となる第２の外装板６２との間で形成されている。
【００４２】
なお、第１の区画壁５１と第２の区画壁６１は、素電池１００の端部（本実施形態では、端子板８側の端部と電池ケース７の底部の端部）に密着して配設されるため、収容部３０は、第１の区画壁５１と第２の区画壁６１により密閉状態になっている。そのため、素電池１００の排気口８ａおよび薄肉刻印部１５ａから放出されたガスが収容部３０に流入することはない。
【００４３】
このようにすると、電池パック２００の通常使用時（高温環境下での長期保存や長期間の充放電を含む）に素電池１００において内圧の上昇が発生した場合、電池ケース７の底部に形成された薄肉刻印部１５ａよりも破断圧力が低い、排気弁１４に形成された薄肉部１４ａが優先的に破断し、第１の安全弁の解放部である排気口８ａから電池内部の電解液や可燃ガスが第１の区画壁５１に形成された第１の接続経路５４を介して第１の排気経路５０に放出される。
【００４４】
また、電池の内部短絡や過充電等の異常時、初期の緩やかなガス発生時においても同様に、排気口８ａから電池内部の電解液や可燃ガスが第１の排気経路５０に放出される。また、異常時の急激なガス発生時においては、素電池１００内部の圧力も急激に増大するため、破断圧力が高い電池ケース７の底部に形成された薄肉刻印部１５ａも破断し、第２の安全弁の解放部である薄肉刻印部１５ａから高温ガスが第２の区画壁６１に形成された第２の接続経路６４を介して第２の排気経路６０に放出される。
【００４５】
従って、電池パック２００に収容されたいずれかの素電池１００で異常が発生し高温ガスを放出した場合、高温ガスは第２の排気経路６０を通過し第２の排出口６３から電池パック２００の外部に排出される。この際、素電池１００で高温ガスが発生する以前に素電池１００または周辺の電池から排出された電解液や可燃ガスは第１の排気経路５０通過し第１の排出口５３から電池パック２００の外部に排出されているため、電池パック２００の内部で高温ガスと電解液や可燃ガスが混合して急激な反応が起こり、周辺の電池およびパック搭載機器に熱的影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００４６】
以上、説明したように、本発明における電池パック２００は、向きを揃えて配列された複数の素電池（二次電池）１００を備え、各素電池１００は、第１の安全弁と、第１の安全弁よりも作動圧の高い第２の安全弁を有し、各素電池１００の第１の安全弁は、それぞれ第１の排気経路５０に接続され、各素電池１００の第２の安全弁は、それぞれ第２の排気経路６０に接続され、第１の排気経路５０と第２の排気経路６０とは、互いに空間的に分離されている。
【００４７】
このように、素電池１００から排出されるガス等の状態に応じて、素電池１００に、作動圧の異なる２つの安全弁を設け、かつ、２つの安全弁を、互いに空間的に分離された２つの第１及び第２排気経路５０、６０に接続することによって、第２の排気経路６０に排出された高温ガスが、第１の排気経路５０内で、電解液や可燃ガスと混合するのを防止できる。これにより、周辺の電池や電池パックを搭載した機器等に熱的影響を及ぼすのを低減することができる。
【００４８】
本発明において、第１の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量は、第２の安全弁が作動したときの単位時間当たりのガス排出量よりも小さいことが好ましい。
【００４９】
これにより、素電池１００内で発生した高温ガスの圧力が上昇して、第２の安全弁が作動したとき、高温ガスは、もっぱら第２の排気経路６０に排出され、第１の排気経路５０にはほとんど排出されない。仮に、高温ガスが第１の排気経路５０に排出されても、高温ガスの量が少なく、熱容量としては非常に小さいため、高温ガスの熱は、第１の排気経路５０を構成する部材や、第１の排気経路５０内に存在する空気等に吸収されて、高温ガスの温度は、電解液や可燃ガスと急激な反応をするだけの温度を保つことができない。その結果、万一、第１の排気経路５０に高温ガスが排気されても、第１の排気経路５０に存在する電解液や可燃ガスと混合して、急激な反応をするのを防止することができる。
【００５０】
以下、図面を参照しながら、本発明の他の実施形態における素電池及び電池パックの構成を説明する。
【００５１】
図３は、本発明の他の実施形態における素電池１０２の構成を示した断面図である。図３に示すように、素電池１０２においては、フィルタ１２のフィルタ穴１２ａを、電池ケース７の薄肉刻印部１５ａの破断により形成される第２の安全弁の開口面積より小さくなるように構成している。ここで、前述したように、第１の安全弁の開口面積は、素電池内部で発生したガスの通過経路であるフィルタ穴１２ａ、開口部１３ａ、排気口８ａおよび薄肉部１４ａの破断により形成される開口部の最小面積で決まる。本実施形態においては、フィルタ穴１２ａの開口面積が第１の安全弁の開口面積となるように構成されている。
【００５２】
ここで、素電池内部で高温ガスが発生した場合において、第１の安全弁および第２の安全弁から排出される高温ガスの単位時間当たりの排出量は、安全弁の開口面積にほぼ比例することがわかっている。そのため、第２の安全弁の開口面積に対して第１の安全弁の開口面積が小さくなるほど、第１の安全弁から第１の排気経路５０内に排出される高温ガスの排出量は低減される。
【００５３】
本願発明者らは鋭意検討を重ねた結果、第１の安全弁の開口面積が第２の安全弁の開口面積の１０分の１以下、より好ましくは２０分の１以下であれば、素電池内で発生した高温ガスが第１の排気経路５０内に排出された場合においても、第１の排気経路５０内の電解液や可燃ガスと高温ガスが混合することによる急激な反応が起こりえないことを発見した。
【００５４】
これは、第１の安全弁の開口面積を第２の安全弁の開口面積に対して十分に小さくすることで、第１の排気経路５０内に排出された高温ガスの持つ熱量が、第１の排気経路５０内の空気やガスおよび第１の排気経路５０を構成する部材により吸熱され、第１の排気経路５０内に排出された高温ガスが電解液や可燃ガスと急激に反応するだけの温度を保てないためであると考えられる。
【００５５】
このため、電池パック２００を、第１の安全弁の開口面積が第２の安全弁の開口面積より小さい（好ましくは１０分の１以下、より好ましくは２０分の１以下）素電池１０２が収容されている構成にすると、なんらかの理由で、素電池１０１の第１の安全弁から電解液や可燃ガスが第１の排気経路５０内に排出され、その後、第２の安全弁から高温ガスが第２の排気経路６０内に排出されるような場合、素電池１０２内で発生した高温ガスが第１の排気経路５０内に第１の安全弁の開口部である排気口８ａから流入した場合においても、第１の安全弁の開口面積（本実施形態ではフィルタ穴１２ａの開口面積）が第２の安全弁の開口面積（本実施形態では薄肉刻印部１５ａが破断したときに電池ケース７に形成される開口面積）に対して十分に小さいため、多くの高温ガスは第２の安全弁の開口部である薄肉刻印部１５ａから第２の排気経路６０内に流入し、第１の排気経路５０内に流入した少量の高温ガスは経路内で冷却される。これにより、第１の排気経路５０内に流入した電解液や可燃ガスと高温ガスが混合して急激な反応が起こり、周辺の電池およびパック搭載機器に熱的影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００５６】
図４は、本発明の他の実施形態における素電池１０１の構成を示した断面図である。図４に示すように、素電池１０１においては、第１の安全弁の解放部である排気口８ａが端子板８の中心部に設けられている。第１の安全弁をこのような構成にすることにより、第１の安全弁は第２の安全弁の作動時に閉塞することになる。
【００５７】
図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本実施形態における素電池１０１における安全弁の作動を説明する。
【００５８】
図５（ａ）は、ガス発生の初期段階において、第１の安全弁が作動した状態を示した図である。過充電等により素電池の温度が次第に上昇し、密閉された電池ケース７内で電解液が気化あるいは分解する等により、電池内の圧力が排気弁１４の薄肉部１４ａの破断圧力（第１の安全弁の作動圧）を超えると、薄肉部１４ａが破断する。これにより、素電池内の圧力が、フィルタ１２のフィルタ穴１２ａ、インナーキャップ１３の開口部１３ａ、排気弁１４の薄肉部１４ａの破断部、及び端子板８の排気口８ａを介して、素電池外に開放される。この段階におけるガス発生は比較的低温かつ緩やかであり、排気弁１４の薄肉部１４ａが破断することにより、電解液や可燃性のガスが端子板８の排気口８ａを通って電池外に排気される。
【００５９】
図５（ｂ）は、電池がさらに高温状態となって、電池内部で急速な化学反応が起こり、高温ガスが急激に発生した段階において、第１の安全弁が閉塞した状態を示した図である。この段階において、破断した排気弁１４の一部は、大量に噴出する高温ガスによる圧力の上昇によって変形して、端子板８側に押上げられることによって、排気口８ａを閉塞する。なお、排気口８ａを破断した排気弁１４の一部で閉塞するには、排気弁１４の破断部端部が端子板８に当接される必要があるため、排気口８ａの大きさを考慮して、端子板８と排気弁１４との距離や、排気弁１４の薄肉部１４ａを形成する位置等を適宜決めればよい。
【００６０】
図５（ｃ）は、第１の安全弁が閉塞した状態で、素電池内の圧力がさらに上昇した段階において、第２の安全弁が作動した状態を示した図である。第１の安全弁からのガス排気が妨げられているため、素電池内の圧力は急激に上昇し、素電池内の圧力が電池ケース７の薄肉刻印部１５ａの破断圧力（第２の安全弁の作動圧）を超えると、薄肉刻印部１５ａが破断して、素電池内で発生した高温ガスが、電池ケース７の薄肉刻印部１５ａの破断部を介して電池外に排出される。
【００６１】
電池パック２００を、第１の安全弁が第２の安全弁の作動時に閉塞する構造とした素電池１０１が収容されている構成にすると、なんらかの理由で素電池１０１の第１の安全弁から電解液や可燃ガスが第１の排気経路５０内に排出され、その後、第２の安全弁から高温ガスが第２の排気経路６０内に排出されるような場合、第２の安全弁から高温ガスが排出されている状態において第１の安全弁は閉塞しているため、素電池１０１内で発生した高温ガスが第１の排気経路に流入することを防ぐことができる。これにより、第１の排気経路５０内の電解液と可燃ガスが高温ガスと混合することを確実に防ぐことができる。
【００６２】
なお、本発明において、第１の安全弁の「閉塞」は、必ずしも完全な閉塞を意味するものではなく、第２の安全弁作動後に電池内で発生した高温ガスが、第１の安全弁から排出されるのを防ぐことができる程度に第１の安全弁の開口面積を制限していればよい。
【００６３】
図６は、本発明の他の実施形態における電池パック２０１の構成を示した断面図である。図６に示すように、電池パック２０１における第１の排気経路５０内にガス吸収剤７０が設置されている。電池パック２０１をこのような構成にすると、第１の排気経路５０内に電解液や可燃ガスが流入した場合、ガス吸収剤７０により電解液や可燃ガスは吸収される。これにより、解液や可燃ガスが第１の排気経路５０から流出して異常時に発生する高温ガスと混合することを確実に防ぐことができる。さらには、ガス吸収剤７０により電解液や可燃ガスを吸収することで、電解液や可燃ガスが第１の区画壁５１の隙間から収容部３０に浸入して素電池１００に接触し、電池ケース７を腐食させること未然に防ぐことができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、第１の排気経路５０内にガス吸収剤７０が設置されている構成を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の排気経路５０に消火剤が設置されている構成としてもよい。この場合、なんらかの理由で第１の排気経路５０内に高温ガスが流入し、高温ガスと電解液や可燃ガスが混合して急激な反応が起った場合においても、第１の排気経路５０内の消火剤により周辺の電池およびパック搭載機器に及ぼす熱的影響を低減することができる。
【００６５】
また、第１の排気経路５０に冷却剤が設置されている構成としてもよい。この場合、なんらかの理由で第１の排気経路５０内に高温ガスが流入した場合においても、第１の排気経路５０内の冷却剤により高温ガスは経路内で冷却される。これにより第１の排気経路５０内に流入した電解液や可燃ガスと高温ガスが混合して急激な反応が起こり、周辺の電池およびパック搭載機器に熱的影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００６６】
さらに、第２の排気経路６０内にガス吸収剤、消火剤、冷却剤が設置されている構成としてもよい。この場合、なんらかの理由で第２の排気経路６０内に電解液や可燃ガスが流入した場合においても、第１の排気経路５０内に設置した場合と同様、電解液や可燃ガスと高温ガスが混合して急激な反応が起こり、周辺の電池およびパック搭載機器に熱的影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００６７】
図７は、本発明の他の実施形態における電池パック２０２の構成を示した断面図である。図７に示すように、電池パック２０２における第２の排気経路６０内に温度センサ７１が設置されている。電池パック２０２をこのような構成にすると、異常時に素電池１００から高温ガスが発生して第２の排気経路６０内に高温ガスが流入した場合、第２の排気経路６０内の温度は高温ガスによって上昇する。この第２の排気経路６０内の温度上昇を温度センサ７１で検知することで電池パック２０２内の素電池１００で異常が発生したことを正確に検出することができる。これにより、電池パック２０２内の素電池１００に異常が発生した場合においてもパック搭載機器に対して迅速に安全処置を施すことができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、第２の排気経路６０内に温度センサ７１が設置されている構成を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２の排気経路６０内にガスセンサが設置されている構成としてもよい。また、第１の排気経路５０内にガスセンサまたは温度センサが設置されている構成としてもよい。
【００６９】
図８は、本発明の他の実施形態における電池パック２０３の構成を示した断面図である。図８に示すように、電池パック２０３における第２の排気経路６０を形成する第２の外装板６２の一部が耐熱材７２で構成されている。電池パック２０３をこのような構成にすると、異常時に素電池１００から高温ガスが発生して第２の排気経路６０内に高温ガスが流入した場合、高温ガスが第２の外装板６２など第２の排気経路６０を形成する部材に接触し、接触した部分が高温ガスの熱により変形や損傷することを防止することができる。これにより、第２の排気経路６０の変形や損傷した箇所から高温ガスが、パック外部や収容部３０さらには収容部３０を介して第１の排気経路５０に流入し、収容部３０内の素電池１００や第１の排気経路５０内の電解液や可燃ガスに接触することを効果的に防ぐことができる。ここでいう耐熱材とは、高温ガスの熱にさらされた場合においても物性を維持することのできる材料であればよい。例えば、鉄やアルミなどの金属材料または、ガラスエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド、ポリアリレートなどの耐熱性樹脂が挙げられる。
【００７０】
なお、本実施形態では、第２の排気経路６０を形成する第２の外装板６２の一部が耐熱材７２で構成されている具体例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２の排気経路６０を形成する第２の外装板６２の一部が難燃材で構成されていてもよい。この場合、異常時に素電池１００から高温ガスが発生して第２の排気経路６０内に高温ガスが流入した場合、高温ガスが第２の外装板６２など第２の排気経路６０を形成する部材に接触し、接触した部分が燃焼することによる変形や損傷を防止することができる。ここでいう難燃材とは、高温ガスの熱にさらされた場合において燃焼により物性を損なわない材料であればよい。例えば、セラミックやガラス、難燃繊維板、難燃合板などが挙げられる。
【００７１】
図９は、本発明の他の実施形態における電池パック２０４の構成を示した断面図である。図９に示すように、電池パック２０４においては、素電池１００と第２の区画壁６１の隙間にパッキン７３を設けて第２の排気経路６０が第１の排気経路５０よりも気密性の高い構造となっている。電池パック２０４をこのような構成にすると、異常時に素電池１００から高温ガスが発生して第２の排気経路６０内に高温ガスが流入し、第２の排気経路６０内の圧力が高温ガスにより上昇した場合においても、素電池１００と第２の区画壁６１隙間から収容部３０に高温ガスが浸入することを防止することができる。これにより、高温ガスが収容部３０さらには収容部３０を介して第１の排気経路５０に流入し、収容部３０内の素電池１００や第１の排気経路５０内の電解液や可燃ガスに接触することを効果的に防ぐことができる。
【００７２】
図１０は、本発明の他の実施形態における電池パック２０５の構成を示した断面図である。図１０に示すように、電池パック２０５においては、第２の排気経路６０が第１の排気経路５０よりも経路面積が大きくなっており、第２の排気経路６０が第１の排気経路５０よりも圧力損失の小さい構造となっている。電池パック２０５をこのような構成にすると、異常時に素電池１００から高温ガスが発生して第２の排気経路６０内に高温ガスが流入した場合、第２の排気経路６０内の高温ガスによる圧力上昇を低く抑えることができる。従って、第２の排気経路６０内の圧力上昇により第２の区画壁６１や第２の外装板６２など第２の排気経路６０を形成する部材が変形や損傷することを防止することができる。これにより、第２の排気経路６０の変形や損傷した箇所から高温ガスが、パック外部や収容部３０さらには収容部３０を介して第１の排気経路５０に流入し、収容部３０内の素電池１００や第１の排気経路５０内の電解液や可燃ガスに接触することを効果的に防ぐことができる。
【００７３】
上記の実施形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの例に限定されない。例えば、個々の電池の安全弁と排気経路をつなぐ接続経路は、素電池に接続した中空部材で形成されてもよく、電池ケースなどの電池部材の一部を延伸させて形成してもよい。また第１の排出口と第２の排出口の位置関係についても、それぞれの排出口から排気されるガスが混合し難い配置であればよい。例えば、一方の排出口は、電池パックの搭載機器の内部にあり、他方の排出口は、電池パックの搭載機器の外部にあるような構成としてもよい。電池ケースに収容される素電池の並べ方も、直線的以外にもジグザグ、曲線的、並びの途中での屈曲などの並べ方であっても構わない。一つの電池パックあたりの素電池の本数も２以上であれば特に限定されない。電池パックのケース本体側の構造も特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の電池パックは、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器、ハイブリッド電気自動車、電動工具等の電源として好適に用いられる。
【符号の説明】
【００７５】
１      正極
２      負極
３      セパレータ
４      電極群
７      電池ケース
８      端子板
８ａ    排気口
１１    ガスケット
１２    フィルタ
１２ａ  フィルタ穴
１３    インナーキャップ
１３ａ  開口部
１４    排気弁
１４ａ  薄肉部
１５ａ  薄肉刻印部
２０    パックケース
３０    収容部
４０    スペーサ
５０    第１の排気経路
５１    第１の区画壁
５２    第１の外装板
５３    第１の排出口
５４    第１の接続経路
６０    第２の排気経路
６１    第２の区画壁
６２    第２の外装板
６３    第２の排出口
６４    第２の接続経路
７０    ガス吸収剤
７１    温度センサ
７２    耐熱材
７３    パッキン
１００、１０１、１０２    素電池
２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５    電池パック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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