(57)【要約】【課題】電池モジュールに含まれる単電池から排出される発煙ガスの発熱を抑制しつつ、発煙ガスの発生を検出可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュールは、内部から外部へ発煙ガスを排出する排気部が各々に形成された複数の単電池と、排気部のそれぞれに連通され、排気部から排出される発煙ガスが流れる排気通路と、排気通路内に設けられた消火容器とを備える。消火容器には、消火剤と、発煙ガスよりも発熱性が小さく、かつ比熱が低い材料とを含む消火混合剤とが収容される。消火容器は、発熱ガスの熱によって破断して消火混合剤を排気通路内に噴出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部から外部へ発煙ガスを排出する排気部が各々に形成された複数の単電池と、
前記排気部のそれぞれに連通され、前記排気部から排出される前記発煙ガスが流れる排気通路と、
前記排気通路内に設けられた消火容器とを備え、
前記消火容器は、消火剤と、前記発煙ガスよりも発熱性が小さく、かつ比熱が低い材料とを含む消火混合剤を収容し、前記発煙ガスの熱によって破断して前記消火混合剤を前記排気通路内に噴出する、電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、車両などに搭載される電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電池モジュールに含まれる複数の単電池の各々においては、過充電や内部短絡などの異常に伴って単電池内が過剰に発熱し、この発熱に伴って単電池内にガスが発生し得る。このガス（以下「発煙ガス」ともいう）が多量に発生すると、単電池の内部圧力が上昇する。この内部圧力の上昇を抑制するために、単電池には内部のガスを外部に排出するための排気部が設けられるものが存在する。単電池の内部から排気部を通って外部に排出されるガスは、可燃性物質を含むため、酸素と反応して発熱されないようにすることが望ましい。
【０００３】
特開２０１４−３３８２４号公報（特許文献１）には、複数の単電池を含む電池モジュールの外側に消火容器が設けられた電池システムが開示されている。この電池システムにおいては、単電池から発煙ガスが排出された場合に消火容器内の消火剤を電池モジュールに噴出するように構成されている。電池モジュール内に噴出された消火剤によって、発煙ガスの発熱が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３３８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気自動車などの二次電池を備える車両に搭載される電池システムにおいては、電池モジュールに異常が生じた場合、発煙ガスの発熱を抑制することに加えて、発煙ガスの発生を検出することが望まれている。発煙ガスを発生した異常な電池モジュールの通電を停止するなどの制御を行なうためである。
【０００６】
発煙ガスの発生を検出する手段としては、たとえば、発煙ガスの排気通路に温度センサを設け、温度センサで検出した温度が基準温度を超えた場合に、発煙ガスが発生したことを検出することが考えられる。しかしながら、発煙ガスの発生に伴って排気通路内に消火剤が噴出されると、発煙ガスが消火剤と混合されて発煙ガスの温度が低下してしまう。そのため、発煙ガスが発生しているにも関わらず、温度センサで検出した温度が基準温度を超えず、発煙ガスの発生を精度よく検出することができなくなる可能性がある。
【０００７】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、発煙ガスの発熱を抑制しつつ、発煙ガスの発生を検出可能な電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る電池モジュールは、内部から外部へ発煙ガスを排出する排気部が各々に形成された複数の単電池と、排気部のそれぞれに連通され、排気部から排出される発煙ガスが流れる排気通路と、排気通路内に設けられた消火容器とを備える。消火容器は、消火剤と、発煙ガスよりも発熱性が小さく、かつ比熱が低い材料とを含む消火混合剤を収容し、発煙ガスの熱によって破断して消火混合剤を排気通路内に噴出する。
【０００９】
上記構成によれば、発煙ガスが流れる排気通路に消火容器が配置される。消火容器には、消火剤と、発煙ガスよりも発熱性が小さく、かつ比熱が低い材料（以下「低比熱材」ともいう）とが混合された消火混合剤が収容されている。発煙ガスの熱によって消火容器が破断されて消火混合剤が噴出されると、消火混合剤に含まれる消火剤によって発熱ガスの発熱が抑制される。一方で、消火剤によって発熱が抑制される前の発煙ガスの熱が早期に低比熱材に熱移動される。そのため、発煙ガスと消火剤と低比熱材とが混合された後の気体の温度の低下が抑制される。
【００１０】
ゆえに、発煙ガスの排気通路に温度センサを設け、発煙ガスが発生したことを検出させる場合において、消火混合液を用いることによって、消火剤のみを用いた場合と比べ、温度センサで検出される発煙ガスの温度が低下されることを抑制することができる。これによって、発煙ガスの発生を精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、発煙ガスの発熱を抑制しつつ、電池モジュールの異常を検出可能な電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】単電池の負極側を示す斜視図である。
【図３】比較例と本実施の形態とにおける実験結果を示した図である。
【図４】本実施の形態における電池システムのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１４】
本実施の形態においては、本実施の形態に係る電池モジュール１がハイブリッド車両や電気自動車などに搭載される例について説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る電池システム１１の構成を模式的に示す図である。電池システム１１は、電池モジュール１と、ファン８０と、供給ダクト９０と、排気通路７０と、ＥＣＵ２００と、温度センサ１１０とを備える。
【００１６】
電池モジュール１は、複数の単電池２と、電池ケース３０と、電池ホルダ４０と、上蓋５０と、消火容器１００とを備える。
【００１７】
複数の単電池２の各々は、充放電可能な二次電池である。単電池２としては、たとえば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などである。図１において、単電池２の上端部に正極１０が形成されており、単電池２の下端部には負極２０が形成されている。
【００１８】
図２は、単電池２の負極側を示す斜視図である。単電池２は、周壁部２２と、下壁部２３とを含む。下壁部２３には、負極２０および排気部２１が形成されている。
【００１９】
排気部２１は、下壁部２３において、切り込み溝２４を設けて形成されている。単電池２の発熱に伴って発生する内部のガス（以下「発煙ガスＧ」ともいう）によって内部圧力が所定圧以上になると、切り込み溝２４が破断する。そして、破断した部分から発煙ガスＧが排出されて、単電池２の内部圧力が下げられる。なお、図２においては、排気部２１の形状が円形の例について記載しているが、円形以外の形状でもよい。たとえば、楕円形や多角形の形状であってもよい。また、本実施の形態においては、単電池２は円筒電池を採用した例について説明するが、角型電池であってもよい。
【００２０】
図１に戻り、電池モジュール１は、電池ケース３０および上蓋５０とを備え、電池ケース３０の上面は上蓋５０によって封じられている。複数の単電池２の各々は、電池ホルダ４０に保持されて、電池ケース３０および上蓋５０の中に収容されている。電池ケース３０には、複数の単電池２の各々に設けられた排気部２１に連通される排気通路１５０が形成されている。
【００２１】
排気通路１５０は、単電池２の排気部２１から排出される発煙ガスＧが流通する通路である。排気通路１５０は、流入空間１５１と、集約空間１５２とを含む。流入空間１５１は、複数の単電池２の各々の排気部２１から排出される発煙ガスＧが流入する空間である。流入空間１５１は、複数の単電池２の各々の排気部２１と連通している。
【００２２】
集約空間１５２は、流入空間１５１よりも発煙ガスＧの流通方向Ｄの下流側に位置している。集約空間１５２において、各排気部２１から排出された発煙ガスＧが集約される。
【００２３】
消火容器１００は、流入空間１５１よりも発煙ガスＧの流通方向Ｄの下流側に配置されている。具体的には、消火容器１００は、排気通路１５０の集約空間１５２に配置されている。消火容器１００には、消火剤が収容されている。
【００２４】
消火容器１００は、ケース本体および薄膜部とを含む。ケース本体には、たとえば、図１において上方に向けて開口する開口部が形成されており、薄膜部は開口部を閉塞するように配置されている。薄膜部は、ケース本体に比べて、膜厚が薄く形成されている。ケース本体と薄膜部とによって閉じられた空間に消火剤が収容されている。
【００２５】
排気通路１５０の一端は、排気通路７０に連通している。排気通路７０は、図示しない排気ダクトに連通している。排気ダクトは、電池モジュール１が搭載される車両の外部と連通している。排気通路１５０の他端は、ファン８０が設けられた供給ダクト９０と連通している。ファン８０を稼働させると、車両室内の空気が供給ダクト９０から排気通路１５０内へ供給される。
【００２６】
排気通路１５０を流通する発煙ガスＧは、ファン８０によって、図１に示す発煙ガスＧの流通方向Ｄの方向へ流通される。
【００２７】
温度センサ１１０は、本実施の形態においては排気通路７０内に設けられる。温度センサ１１０は、排気通路７０内の温度Ｔｓを検出し、ＥＣＵ２００（Electronic  Control  Unit）に出力する。
【００２８】
ＥＣＵ２００は、温度センサ１１０から出力された温度Ｔｓを用いて、電池モジュール１に含まれる複数の単電池２に異常が生じているか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２００は、検出された温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ以上であれば、電池モジュール１に含まれる複数の単電池２のいずれかにおいて発煙ガスＧが排出されている状態であると判定する。ＥＣＵ２００は、検出された温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ未満であれば、電池モジュール１に含まれる複数の単電池２のいずれにおいても発煙ガスＧは排出されていないと判定する。判定結果に応じて、ＥＣＵ２００は後述する電池モジュール１の制御を行なう。なお、基準温度Ｔｒｅｆは、発煙ガスＧが発生していることを検出するための温度であり、消火容器１００を破断することができる温度以上の温度に設定される。
【００２９】
以上のように構成される電池システム１１においては、電池モジュール１に異常が生じた場合、発煙ガスＧの発熱を抑制しつつ、発煙ガスＧの発生を検出することが望まれている。
【００３０】
電池モジュール１に含まれる複数の単電池２のいずれかにおいて、過充電や内部短絡などの異常が生じると、単電池２内部で発煙ガスＧが多量に発生して、単電池２内の内部圧力が上昇する場合がある。単電池２内の内部圧力が所定圧以上となると、単電池２の排気部２１から発煙ガスＧが排出される。発煙ガスＧには、可燃性物質が含まれている場合がある。また、発煙ガスＧの温度は、高温となっており、たとえば数百度程度である。
【００３１】
発煙ガスＧが排出されると、排出された発煙ガスＧの熱によって集約空間１５２内に配置された消火容器１００が破断して消火剤が噴出される。
【００３２】
噴出された消火剤は、集約空間１５２内に充満して、単電池２から排出された発煙ガスＧと混合する。これによって、発煙ガスＧに酸素が供給されることが防がれ、発煙ガスＧの発熱が抑制される。
【００３３】
しかしながら、発煙ガスＧと消火剤とが混合されることによって、発煙ガスＧの温度が低下している可能性がある。そのため、発煙ガスＧが発生しているにも関わらず、温度センサ１１０によって検出される温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆを超えず、発煙ガスＧの発生を精度よく検出することができない可能性がある。
【００３４】
そこで、本実施の形態においては、消火剤と、発煙ガスＧよりも発熱性が小さく比熱が低い材料（以下「低比熱材」ともいう）とを混合した混合消火剤を消火容器１００に収容した。以下、低比熱材としてアルゴンを用いる例について説明する。
【００３５】
発煙ガスＧの熱によって集約空間１５２内に配置された消火容器１００が破断して消火混合剤が噴出されると、噴出された消火混合剤は、集約空間１５２内に充満して、単電池２から排出された発煙ガスＧと混合する。そして、消火混合剤に含まれる消火剤によって、発煙ガスＧに酸素が供給されることが防がれ、発煙ガスＧの発熱が抑制される。
【００３６】
一方で、消火混合剤にはアルゴンが含まれている。アルゴンは発熱性が小さいため、発熱する可能性が非常に小さい。発熱性とは、たとえば、酸素と反応して自己的に発熱するような自己的な発熱のし易さの程度を表わす。また、アルゴンは発煙ガスＧよりも比熱が低い材料であるため、消火混合剤が発煙ガスＧに噴出された際に、消火剤によって発熱が抑制される前の発煙ガスＧの熱が早期にアルゴンへ熱移動される。そのため、発煙ガスＧと消火剤とアルゴンとが混合された後の気体（以下「消火後ガス」ともいう）の温度の低下が抑制される。
【００３７】
消火後ガスは、集約空間１５２から排気通路７０へ流通して、排気ダクトを通じて車両外部へ排出される。排気通路７０において、排気通路７０内に設けられた温度センサ１１０によって温度Ｔｓが検出され、ＥＣＵ２００に出力される。そして、ＥＣＵ２００は、温度センサ１１０から出力された温度Ｔｓを用いて電池モジュール１の状態を判定する。
【００３８】
上述のとおり、消火後ガスの温度の低下は抑制されているため、温度センサ１１０によって検出される温度Ｔｓは、基準温度Ｔｒｅｆ以上の温度を保つことが可能となる。
【００３９】
ゆえに、消火混合剤が噴出された場合において、温度センサ１１０によって排気通路７０を流通する消火後ガスの温度Ｔｓを基準温度Ｔｒｅｆ以上の温度として検出することが可能となる。
【００４０】
図３は、比較例と本実施の形態とにおける実験結果を示した図である。比較例は、アルゴンを混合せずに消火剤のみで消火を行なった場合である。本実施の形態は、消火剤にアルゴン（Ａｒ）を混合した消火混合剤で消火を行なった場合である。
【００４１】
比較例、本実施の形態ともに発煙ガスＧの初期温度はＴｆであった。比較例においては、発煙ガスＧに消火剤が噴出されると、消火剤によって発煙ガスＧの発熱が抑制される。そして、温度センサ１１０で検出される温度Ｔｓは温度Ｔ１に低下している（Ｔ１＜Ｔｆ）。温度Ｔ１は基準温度Ｔｒｅｆよりも低い温度となっている（Ｔ１＜Ｔｒｅｆ）。そのため、発煙ガスＧが発生しているにも関わらず、電池モジュール１の異常は検出されてない。
【００４２】
本実施の形態においては、発煙ガスＧに消火混合剤が噴出されると、消火混合剤に含まれる消火剤によって発煙ガスＧの発熱が抑制される。一方で、発煙ガスＧに消火混合剤が噴出された際に、消火剤によって発熱が抑制される前の発煙ガスＧの熱が早期にアルゴンへ熱移動される。この影響によって、消火後ガスの温度が低下することが抑制される。
【００４３】
そのため、温度センサ１１０で検出される温度Ｔｓは温度Ｔ２に低下はしているが、温度Ｔ２は温度Ｔ１よりも高い温度となっている（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔｆ）。温度Ｔ２は基準温度Ｔｒｅｆよりも高い温度となっており（Ｔ２＞Ｔｒｅｆ）、発煙ガスＧが発生していることが検出されている。
【００４４】
発煙ガスＧの初期温度Ｔｆは、たとえば、数百℃程度である。温度Ｔ１は、たとえば、数℃程度から数十℃程度である。温度Ｔ２は、たとえば、温度Ｔ１よりも数十℃程度高い温度である。上述のように、基準温度Ｔｒｅｆは、任意に設定される温度であるが、消火容器１００を破断することができる温度以上の温度に設定される。
【００４５】
図４は、本実施の形態における電池システム１１のフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定の間隔で繰り返し実行される。
【００４６】
ＥＣＵ２００は、温度センサ１１０により検出された温度Ｔｓを取得する（ステップ１０、以下ステップを「Ｓ」と略す）。ＥＣＵ２００は、Ｓ１０において取得した温度Ｔｓを基準温度Ｔｒｅｆと比較する（Ｓ２０）。
【００４７】
Ｓ２０において、ＥＣＵ２００は、温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ未満であると判定すると（Ｓ２０においてＮＯ）、発煙ガスＧは発生しておらず、電池モジュール１は正常状態であると判定する（Ｓ３０）。そして、ＥＣＵ２００は、電池モジュール１の制御モードを第１制御モードに設定する（Ｓ４０）。第１制御モードとは、電池モジュール１が正常状態において通常行なわれる制御を行なうモードである。
【００４８】
Ｓ２０において、ＥＣＵ２００は、温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定すると（Ｓ２０においてＹＥＳ）、発煙ガスＧが発生しており、電池モジュール１は異常状態であると判定する（Ｓ５０）。そして、ＥＣＵ２００は、電池モジュール１の制御モードを第２制御モードに設定する（Ｓ６０）。第２制御モードとは、たとえば、異常となった電池モジュール１の使用を制限するような制御を行なうモードである。第２制御モードが選択されると、ＥＣＵ２００は、たとえば、異常となった電池モジュール１を使用できないように通電を停止するなどの制御を行ない処理を終了する。
【００４９】
なお、Ｓ２０において、温度Ｔｓと基準温度Ｔｒｅｆとの比較によって電池モジュール１の状態を判定したが、温度Ｔｓと基準温度Ｔｒｅｆとの比較、およびその状態が維持されている時間によって電池モジュール１の状態を判定してもよい。具体的には、たとえば、温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ以上であると判定され、かつ温度Ｔｓが基準温度Ｔｒｅｆ以上である状態が所定時間以上継続した場合に、ＥＣＵ２００は、発煙ガスＧが発生しており、電池モジュール１は異常状態であると判定する。
【００５０】
これによって、誤検出を防止することができる。所定時間とは、たとえば、数秒から数十秒程度である。
【００５１】
以上のように、本実施の形態においては、消火剤と、発煙ガスＧよりも発熱性が小さく、かつ比熱が低い材料であるアルゴンとを混合した消火混合剤を消火容器１００に収容して排気通路１５０に配置した。発煙ガスＧに消火混合剤が噴出された場合、発煙ガスＧは、消火混合剤に含まれる消火剤によって発熱が抑制されるとともに、消火剤によって発熱が抑制される前の発煙ガスＧの熱が早期にアルゴンに熱移動される。この影響により、消火後ガスの温度が低下されることが抑制される。よって、発煙ガスＧに消火混合剤が噴出された後においても、排気通路７０内に設けられた温度センサ１１０によって、電池モジュール１の異常を精度よく検出することができる。
＜変形例＞
本実施の形態においては、消火容器１００は、発煙ガスＧの流通方向Ｄの下流側である排気通路１５０の集約空間１５２に配置され、温度センサ１１０は排気通路７０内に設けられた。消火容器１００および温度センサが設けられる位置は特に限定されるものではない。消火混合剤を噴出して発煙ガスＧの発熱を抑制し、かつ電池モジュール１の異常を検出できればよい。たとえば、発煙ガスＧの流通方向Ｄを特定せず、消火容器１００および温度センサ１１０を排気通路１５０内のいずれかの位置に配置する。消火容器１００に収容される消火混合剤の気化した際の体積率を計算し、噴出された際に排気通路１５０内に消火混合剤が充満するようにしてもよい。
【００５２】
排気通路１５０内に消火混合剤が充満することで、消火剤が発煙ガスＧの発熱を抑制しつつ、発熱が抑制される前の発煙ガスＧの熱がアルゴンに熱移動される。アルゴンに熱移動された後の消火後ガスの温度を温度センサ１１０が検出することで電池モジュール１の異常を検出することができる。
【００５３】
また、本実施の形態においては、消火容器１００を１つ配置した例を示したが、消火容器１００を配置する数は１つに限られるものではなく、複数の消火容器１００を配置してもよい。
【００５４】
また、温度センサ１１０は、排煙ダクトに設けられてもよい。複数の電池モジュール１を車両に搭載するような場合において、１つの温度センサ１１０によって、複数の電池モジュール１の異常を検出することができる。
【００５５】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５６】
１  電池モジュール、２  単電池、１０  正極、１１  電池システム、２０  負極、２１  排気部、２２  周壁部、２３  下壁部、２４  切り込み溝、３０  電池ケース、４０  電池ホルダ、５０  上蓋、７０，１５０  排気通路、８０  ファン、９０  供給ダクト、１００  消火容器、１１０  温度センサ、１５１  流入空間、１５２  集約空間、２００  ＥＣＵ、Ｄ  流通方向、Ｇ  発煙ガス、Ｔ１，Ｔ２，Ｔｓ  温度、Ｔｆ  初期温度、Ｔｒｅｆ  基準温度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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