(57)【要約】【課題】電池モジュールの大型化を避けつつ、ガスに起因する排煙ダクトの性能低下を抑制できる電池モジュールを提供する。【解決手段】複数の電池セル１８と、前記電池セル１８から放出されたガスが流れる排煙ダクト４０と、を備える電池モジュールであって、前記電池セル１８は、内圧が一定以上のときに、内部に溜まった前記ガスを放出する安全弁２４を有し、前記排煙ダクト４０は、前記安全弁２４との対向面から前記安全弁２４に向かって突出し、前記安全弁２４から離れるほど幅広となる突起体３４を有し、前記突起体３４の根元の外形サイズは、前記安全弁２４の外形サイズ以上である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルと、
前記電池セルから放出されたガスが流れる排煙ダクトと、
を備え、
前記電池セルは、内圧が一定以上のときに、内部に溜まった前記ガスを放出する安全弁を有し、
前記排煙ダクトは、前記安全弁との対向面から前記安全弁に向かって突出し、前記安全弁から離れるほど幅広となる突起体を有し、
前記突起体の根元の外形サイズは、前記安全弁の外形サイズ以上である、
ことを特徴とする電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルと、各電池セルから放出されたガスが流れる排煙ダクトと、を備えた電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、充放電可能な二次電池である電池セルを複数組み合わせてモジュール化した電池モジュールが広く知られている。電池セルは、充放電あるいは高温保持過程において、電池セルの内部で種々のガスが発生することが知られている。電池セルには、こうしたガスを、電池セルの外部に放出するための安全弁が設けられている。また、電池モジュールには、安全弁から放出されたガスをモジュールの外部に導く排煙ダクトが設けられている。排煙ダクトは、安全弁の近傍に配され、安全弁側に開口した通路である。安全弁から放出されたガスは、この開口を介して排煙ダクトに流れ込む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０９８１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、通常、安全弁から放出されたガスは、排煙ダクトのうち安全弁との対向面に当たる。放出されるガスは、高圧高温であるため、当該ガスが当たることで対向面が劣化し、排煙ダクトの性能が低下することがあった。そこで、ガスに起因する排煙ダクトの性能低下を防止するために、排煙ダクトを大きくして、排煙ダクトの対向面を安全弁から十分に離すことが考えられる。かかる構成とすれば、ガスは、排煙ダクトの対向面に当たる前に、温度低下および流速低下するため、対向面の劣化を防止できる。しかし、この場合、排煙ダクト、ひいては、電池モジュールの大型化という別の問題を招く。
【０００５】
特許文献１には、排煙カバー（排煙ダクト）から排煙ガス流路内に突出して設けられており、安全弁から放出されるガスが直接当たるリブを設けることが開示されている。かかる構成とすれば、排煙ダクの対向面と安全弁との距離を小さくしても、安全弁から放出されるガスの熱（熱エネルギー）の全部または一部をリブで吸収できるため、ガスにより、排煙ダクトの対向面が劣化することを、多少は、抑制できる。
【０００６】
しかし、特許文献１において、リブは、安全弁に比して、小さい。そのため、安全弁から放出されたガスの多くは、リブに当接することなく、直接、排煙ダクトの対向面に衝突する。このとき、ガスは、熱伝導率の高い衝突噴流として対向面に衝突するため、排煙ダクトの対向面が、ガスの熱により劣化する恐れがあった。つまり、特許文献1の技術でも、ガスに起因する排煙ダクトの性能低下を、十分に抑制できない。
【０００７】
そこで、本発明では、電池モジュールの大型化を避けつつ、ガスに起因する排煙ダクトの性能低下を抑制できる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】
【０００８】
本発明の電池モジュールは、複数の電池セルと、前記電池セルから放出されたガスが流れる排煙ダクトと、を備え、前記電池セルは、内圧が一定以上のときに、内部に溜まった前記ガスを放出する安全弁を有し、前記排煙ダクトは、前記安全弁との対向面から前記安全弁に向かって突出し、前記安全弁から離れるほど幅広となる突起体を有し、前記突起体の根元の外形サイズは、前記安全弁の外形サイズ以上である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、安全弁から放出されたガスは、必ず突起体に当たり、層流に変化するため、排煙ダクト、ひいては、電池モジュールを小型にしつつも、ガスに起因する排煙ダクトの劣化に伴う性能低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である電池モジュールの斜視図である。
【図２】電池セルの斜視図である。
【図３】樹脂枠の正面図である。
【図４】図３の概略Ａ−Ａ断面図である。
【図５】ダクト片周辺の拡大図である。
【図６】突起体を有さない場合のガスの流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である電池モジュール１０の概略斜視図である。また、図２は、この電池モジュール１０で用いられる電池セル１８の斜視図であり、図３は、樹脂枠２０の正面図である。また、図４は、図３の概略Ａ−Ａ断面図であり、図５は、ダクト片３２周辺の拡大図である。
【００１２】
この電池モジュール１０は、電動車両、例えば、電気自動車や、ハイブリッド自動車に搭載される。電池モジュール１０は、電池スタック１２と、当該電池スタック１２を挟持する一対のエンドプレート１４と、一対のエンドプレート１４を連結する拘束バンド１６と、を備えている。電池スタック１２は、複数の電池セル１８および複数の樹脂枠２０を厚み方向に交互に積層して成る。
【００１３】
電池セル１８は、充放電可能な二次電池、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等で、正面視略長方形の角型形状を有している。電池セル１８の上端面からは、略円筒形の正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎが突出している。正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎは、幅方向に間隔をあけて配置されている。
【００１４】
電池セル１８の上端面のうち幅方向中央、すなわち、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎの間には、安全弁２４が設けられている。安全弁２４は、電池セル１８の内圧が一定以上になった場合に開放され、電池セル１８内部に溜まったガスを外部に放出する弁である。すなわち、電池セル１８は、既述した通り、充放電可能な二次電池であるが、かかる二次電池は、充放電あるいは高温保持過程において種々のガスを発生する。こうしたガスが電池セル１８のケース内に溜まり続けると電池セル１８の内圧が過度に高まるため、電池セル１８の内圧が一定以上になれば、安全弁２４を開放し、ガスを外部に放出する。
【００１５】
本実施形態の安全弁２４は、電池セル１８のケースを部分的に薄肉にすることで構成される。すなわち、本実施形態では、ケースの上端面に、幅方向に長尺な角丸長方形で、他の部位より薄肉な薄肉部を設け、当該薄肉部を安全弁２４として用いている。電池セル１８の内圧が高まると、薄肉で脆弱な薄肉部（安全弁２４）が、優先的に断裂する。そして、この薄肉部（安全弁２４）の断裂により、ケース内のガスが外部に放出される。なお、ここで例示した構成は、一例であり、安全弁２４は、内圧が一定以上になった際に、開放されるのであれば、他の構成でもよい。
【００１６】
複数の電池セル１８は、厚み方向に積層される。このとき、複数の電池セル１８は、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎが積層方向に交互に並ぶように、その向きを交互に替えて配される。すなわち、ある電池セル１８を、向かって右側に正極端子２２ｐが位置するように配置した場合には、次の電池セル１８は、向かって右側に負極端子２２ｎが位置するように配置する。そして、積層方向に隣接する正極端子２２ｐと負極端子２２ｎをバスバ（図示せず）で順次、連結することで、複数の電池セル１８が、電気的に直列に接続される。
【００１７】
電池セル１８と電池セル１８との間には、樹脂枠２０が配される。換言すれば、電池スタック１２は、複数の電池セル１８と複数の樹脂枠２０とを、交互に積層して成る。樹脂枠２０は、絶縁性材料からなり、略平板状のベース部２６と、当該ベース部２６の周縁から厚み方向に張り出す枠部２８と、ベース部２６の上端に設けられたダクト片３２と、ベース部２６の一面から突出する複数のリブ３０と、を備えている（図３参照）。
【００１８】
枠部２８は、電池セル１８の周面に沿う形状をしており、電池セル１８の面方向への移動を規制する。リブ３０は、樹脂枠２０の高さ方向に真っ直ぐに延びており、幅方向に間隔を開けて複数、設けられている。電池セル１８と樹脂枠２０とを積層した際、リブ３０の先端面は、隣接する電池セル１８の表面に接触する。そして、これにより、リブ３０の側面、電池セル１８の表面、ベース部２６で囲まれた通路が形成される。この通路は、電池セル１８を冷却するための冷却風が流れる冷却流路となる。図３における太線矢印は、冷却風の流れ方向を示している。図３に示すように、電池モジュール１０の外部から供給された冷却風は、電池セル１８の下方側から、当該冷却流路に流れ込む。そして、冷却風は、電池セル１８を冷却しながら、冷却流路を流れて、最終的に、電池セル１８の上方側から電池モジュール１０の外部に放出される。
【００１９】
樹脂枠２０の上端、かつ、幅方向中央には、ダクト片３２が設けられている。ダクト片３２は、ベース部２６の上端に固着されており、電池セル１８の上端面に向かって開口した略Ｕ字形となっている。換言すれば、ダクト片３２は、電池セル１８の上端面に対向する天面３２ａ（対向面）と、当該天面３２ａの幅方向両端から高さ方向に延びる一対の側面３２ｂと、を備えている（図５参照）。また、ダクト片３２は、樹脂枠２０のベース部２６よりも厚み方向に張り出しており、隣接する他の樹脂枠２０のダクト片３２と密着する（図１参照）。複数のダクト片３２が互いに密着することで、電池スタック１２には、積層方向に延びるトンネルが形成される。このトンネルは、安全弁２４から放出されたガスが流れる排煙ダクト４０となる。
【００２０】
ダクト片３２の天面３２ａのうち安全弁２４と正対する位置からは、突起体３４が、安全弁２４側に向かって突出している。突起体３４は、安全弁２４から離れるほど幅広となるような略楕円錐形となっている。ただし、突起体３４は、完全中実の楕円錐形ではなく、より正確には、楕円錐形状の幅方向中央部分が切り取られた、略Ｖ字のような形状となっている。別の言い方をすれば、突起体３４は、楕円錐に厚み方向に貫通する開口を設けたような形状となっている。突起体３４を設けた場合は、その分、排煙ダクト４０の流路面積が低下するが、本実施形態のように突起体３４に開口を設ければ、当該開口も、ガスの流路として機能するため、排煙ダクト４０の流路面積の低下を抑制できる。また、開口を設けることで、突起体３４、ひいては、樹脂枠２０の材料量を低減できる。
【００２１】
この突起体３４の基端（根元）の外形サイズは、安全弁２４の外形サイズ以上となっている。すなわち、図４に示すように、突起体３４の基端における幅方向長さＤ１は、安全弁２４の幅方向長さより大きく、突起体３４の厚み方向長さＤ２は、安全弁２４の厚み方向長さより大きくなっている。換言すれば、突起体３４は、安全弁２４から真上に噴出したガスが、天面３２ａに到達する前に、必ず、当該突起体３４に当たるような形状となっている。かかる突起体３４を設けるのは、ダクト片３２を小型化しつつも、ダクト片３２の劣化を抑制するためであるが、これについて後に詳説する。
【００２２】
電池セル１８および樹脂枠２０からなる電池スタック１２は、一対のエンドプレート１４で挟持される。エンドプレート１４は、アルミ等の金属からなる板材である。この一対のエンドプレート１４は、拘束バンド１６により連結される。拘束バンド１６は、金属製の薄板である。この拘束バンド１６の両端近傍にエンドプレート１４を締結することで、二つのエンドプレート１４間の距離が固定される。このときの二つのエンドプレート１４間の距離は、電池スタック１２の設計上の長さとほぼ同じか僅かに小さい。そのため、拘束バンド１６に二つのエンドプレート１４を締結することで、電池スタック１２は、エンドプレート１４から圧縮力を受けることになる。この圧縮力を受けることにより、電池スタック１２を構成する複数の電池セル１８および樹脂枠２０の相互の動きが規制され、拘束される。なお、図１で示したエンドプレート１４および拘束バンド１６の形状は、一例であり、電池スタック１２を積層方向に圧縮・挟持できるのであれば、これらの構成は、適宜、変更されてもよい。
【００２３】
次に、本実施形態において、ダクト片３２に突起体３４を設けた理由について詳説する。既述した通り、電池セル１８は、充放電や高温保持の過程で、ガスが発生し、ケース内部にガスが溜まっていく。ガス量が増え、電池セル１８の内圧が一定以上になると、安全弁２４が開放され、内部のガスが外部に放出される。放出されたガスは、排煙ダクト４０を流れて、電池モジュール１０の外部に放出される。
【００２４】
ここで、ダクト片３２に突起体３４が無い場合、図６に示すように、電池セル１８から放出されたガスは、直接、ダクト片３２の天面３２ａに当たることになる。この電池セル１８から放出された直後のガスは、非常に高温で、例えば、４００度前後に達する。かかる高温高圧のガスが、直接、ダクト片３２の天面３２ａに当たると、当該天面３２ａが熱や圧力により劣化し、排煙ダクト４０の性能が低下することがあった。特に、安全弁２４から放出されて、真っ直ぐ、天面３２ａに当たるガスは、天面３２ａに略垂直に衝突する衝突噴流である。かかる衝突噴流は、壁面と略平行な方向に流れる層流に比べて熱伝達効率が高いため、図５の構成では、高温のガスの熱が天面３２ａに伝わりやすく、天面３２ａ、ひいてはダクト片３２の劣化を招きやすかった。こうしたダクト片３２の劣化を防止するために、ダクト片３２の天面３２ａを、安全弁２４から十分に離すことが考えられる。すなわち、天面３２ａから安全弁２４までの距離Ｈを大きくすることが考えられる。距離Ｈが大きくなることで、ガスが天面３２ａに移動するまでの時間が長くなり、その分、ガスの圧力および温度が低下し、ダクト片３２の劣化を抑制できる。しかし、ダクト片３２の天面３２ａから安全弁２４までの距離Ｈを大きくすると、その分、ダクト片３２、ひいては、電池モジュール１０の高さが増加する。電池モジュール１０は、電動車両等に搭載されるため、設置スペースが限られており、電池モジュール１０の高さを増加することは望ましくない。
【００２５】
そこで、本実施形態では、ダクト片３２に、天面３２ａ（対向面）から安全弁２４に向かって突出する突起体３４を設けるとともに、当該突起体３４の根元の外形サイズを、安全弁２４の外形サイズ以上としている。かかる突起体３４を設けた場合、安全弁２４から放出されたガスは、必ず、突起体３４に当たることになる。図５における太線矢印は、ガスの流れを示している。図５に示すように、安全弁２４から真っ直ぐ上方に噴出したガスは、突起体３４に当たると、分散され、突起体３４の外表面に沿って、斜め上方向に流れる。このように突起体３４に衝突することで、ガスは、衝突噴流から壁面に沿って流れる層流に変化する。層流は、衝突噴流に比べて、熱伝達効率が低いため、ガスの熱が天面３２ａに伝わりにくくなる。その結果、天面３２ａと安全弁２４との距離Ｈを小さくしても、天面３２ａ、ひいてはダクト片３２の劣化が抑制されるため、電池モジュール１０の更なる小型化、特に、高さ寸法の低減（低背化）が可能となる。また、突起体３４を設けた場合、最初にガスが衝突する突起体３４が優先的に溶融・劣化する。この突起体３４の溶融・劣化に、熱エネルギーが消費されるため、天面３２ａや側面３２ｂといった排煙ダクト４０を形成する外郭部の熱劣化が効果的に防止される。換言すれば、突起体３４が、犠牲防食作用を発揮するため、排煙ダクト４０の性能低下をより確実に抑制でき、また、電池モジュール１０の更なる小型化が可能となる
【００２６】
また、本実施形態では、突起体３４の根元の外形サイズを、安全弁２４の外形サイズ以上としている。その結果、安全弁２４から放出されたガスは、全て、突起体３４に衝突することになる。換言すれば、本実施形態によれば、熱伝達効率の高い衝突噴流として天面３２ａに衝突するガスが発生しない。その結果、ダクト片３２の劣化、ひいては、排煙ダクト４０の性能低下をより確実に防止でき、また、電池モジュール１０の更なる小型化が可能となる。
【００２７】
なお、これまで説明した構成は、一例であり、突起体３４が、安全弁２４から離れるほど幅広となり、突起体３４の根元の外形サイズが、安全弁２４の外形サイズ以上であれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、突起体３４を、中央に開口を有した略楕円錐形状としているが、突起体３４は、安全弁２４から離れるほど幅広であり、衝突したガスを層流に変化できるのであれば、他の形状でもよい。したがって、突起体３４は、例えば、円錐形状や、角錐形状、半球形状等でもよい。また、突起体３４は、各ダクト片３２の厚み方向全体に延びるかまぼこ形状や、三角柱形状等でもよい。また、突起体３４は、開口を有していてもよいし、開口を有さない、完全中実構成でもよい。
【００２８】
また、本実施形態では、樹脂枠２０と一体成形されたダクト片３２を連結して、排煙ダクト４０を構成しているが、排煙ダクト４０は、樹脂枠２０と別体で構成されてもよい。また、その際、複数のダクト片３２を組み合わせて一つの排煙ダクト４０を構成してもよいし、単一の部材で一つの排煙ダクト４０を構成してもよい。また、本実施形態では、角型の電池セル１８の上面に安全弁２４を設けたが、安全弁２４の位置や形状等は、適宜、変更されてもよい。例えば、角型の電池セル１８の底面に、安全弁２４を設けてもよい。この場合、排煙ダクト４０は、電池スタック１２の下側に配される。
【００２９】
いずれにしても、排煙ダクト４０のうち、安全弁２４と対向する位置に、根元の外形サイズが安全弁２４の外形サイズ以上で、安全弁２４から離れるほど幅広になる突起体３４を設けることで、排煙ダクト４０を小型にしつつも、排煙ダクト４０の劣化、ひいては、性能低下を効果的に防止できる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  電池モジュール、１２  電池スタック、１４  エンドプレート、１６  拘束バンド、１８  電池セル、２０  樹脂枠、２２ｎ  負極端子、２２ｐ  正極端子、２４  安全弁、２６  ベース部、２８  枠部、３０  リブ、３２  ダクト片、３２ａ  天面、３２ｂ  側面、３４  突起体、４０  排煙ダクト。
【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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