(57)【要約】【課題】電池スタックの電力を機械的な構成で遮断することを可能とした電池パックを提供する。【解決手段】内部に発生したガスを放出する安全弁１８を備えた電池セルを複数備えた電池スタック１１と、安全弁１８と空間接続され、ガスが放出される排気ダクト１９であって、排気口を備えた排気ダクト１９と、電池スタック１１からの電力を遮断するブレーカ２４であって、トリップボタン２５を備えたブレーカ２４と、排気ダクト１９において、排気口２１と電池パックの外部とを連通させていない非連通位置と排気口２１が外部と連通した連通位置との間を移動可能に配設される移動部材２２であって、排気ダクト１９に放出されたガスによって押されて、非連通位置から連通位置へと移動される移動部材２２とを備え、移動部材２２は、非連通位置から連通位置に移動したとき、トリップボタン２５を押圧し、電池スタック１１からの電力を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に発生したガスを放出する安全弁を備えた電池セルを複数備えた電池スタックと、
複数の前記電池セルの前記安全弁の各々を介して連通し、前記安全弁から前記ガスが放出される排気ダクトであって、前記電池スタックの外部に前記ガスを排気する排気口を備えた前記排気ダクトと、
前記電池スタックからの電力を遮断する遮断器であって、トリップボタンを備えた前記遮断器と、
前記排気ダクトにおいて、前記排気口と前記外部とを連通させていない非連通位置と前記排気口が前記外部と連通した連通位置との間を移動可能な移動部材であって、前記排気ダクトに放出された前記ガスによって押されて、前記非連通位置から前記連通位置へと移動する前記移動部材とを備え、
前記移動部材は、前記非連通位置から前記連通位置に移動したとき、前記トリップボタンを押圧し、前記電池スタックからの電力を遮断する電池パック。
【請求項２】
前記複数の電池セルは、それらの前記安全弁を一列に配列させており、
前記排気ダクトは、前記一列に配列された前記安全弁の上部に延在している
請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記電池スタックを複数備え、前記複数の電池スタックは、電気的に並列接続されており、
前記電池スタックの各々が前記遮断器と前記排気ダクトと前記移動部材とを備えている
請求項２に記載の電池パック。
【請求項４】
前記電池スタックを電池状態情報に基づいて管理する安全回路をさらに備え、
前記安全回路は、前記電池スタックの異常を検出したときに前記電池スタックからの電力を遮断するスイッチを備える
請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
前記電池スタックは、ヒューズを備える
請求項１ないし４のうち何れか１項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、電池スタックからの電力を遮断する電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池など電池パックは、複数の電池セルを備えた電池スタックを複数備えている。そして、各電池セルは、セル内で発生したガスを外部に放出する安全弁を備えている。また、電池パックは、電流や温度などの異常を検出したとき、電気的制御によりスイッチをオフにし、電池スタックからの電力を遮断するＢＭＳ（Battery Management System）などの安全回路を備えている（例えば特許文献１参照）。また、例えば、特許文献２には、電池セルが過充電などの異常な状態におかれたとき、電池セルの内圧で作動する電流遮断機構が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５２８１４９号公報
【特許文献２】特開平１０−３０２７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、スイッチのオンオフを制御する安全回路が故障すると、特定の電池スタックが異常な状態となっても、スイッチの開閉を正しく動作させることができなくおそれがある。また、特許文献２の技術では、電池セルを複数接続した電池スタックの場合、高電圧になるため、遮断時にアークが発生するおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池スタックの電力を機械的な構成で遮断することを可能とした電池パックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する電池パックは、内部に発生したガスを放出する安全弁を備えた電池セルを複数備えた電池スタックと、複数の前記電池セルの前記安全弁の各々を介して連通し、前記安全弁から前記ガスが放出される排気ダクトであって、前記電池スタックの外部に前記ガスを排気する排気口を備えた前記排気ダクトと、前記電池スタックからの電力を遮断する遮断器であって、トリップボタンを備えた前記遮断器と、前記排気ダクトにおいて、前記排気口と前記外部とを連通させていない非連通位置と前記排気口が前記外部と連通した連通位置との間を移動可能な移動部材であって、前記排気ダクトに放出された前記ガスによって押されて、前記非連通位置から前記連通位置へと移動する前記移動部材とを備える。前記移動部材は、前記非連通位置から前記連通位置に移動したとき、前記トリップボタンを押圧し、前記電池スタックからの電力を遮断する。
【０００７】
このような構成によれば、遮断器によって、異常のある電池スタックと負荷との間の電気的な接続を機械的な構成で切り離すことができる。具体的には、排気ダクト内に電池セルから放出されたガスによって移動部材が押され、トリップボタンが押されることによって、異常のある電池スタックを負荷に対して切り離すことができる。このとき、排気ダクト内のガスは、移動部材が非連通位置から連通位置に移動することで、排気口から外部へ排気される。
【０００８】
好ましい構成として、前記複数の電池セルは、それらの前記安全弁を一列に配列させており、前記排気ダクトは、前記一列に配列された前記安全弁の上部に延在している。
このような構成によれば、排気ダクトは、各電池スタックにおいて、一列に配列された電池セルの安全弁の上に延在するので、配管構造が簡素化される。
【０００９】
好ましい構成として、前記電池スタックを複数備え、前記複数の電池スタックは、電気的に並列接続されており、前記電池スタックの各々が前記遮断器と前記排気ダクトと前記移動部材とを備えている。
【００１０】
このような構成によれば、１つの電池スタックが遮断器によって、他の電池スタックから切り離されても、残りの電池スタックによって、負荷に対して電力を供給することができる。
【００１１】
好ましい構成として、前記電池スタックを電池状態情報に基づいて管理する安全回路をさらに備え、前記安全回路は、前記電池スタックの異常を検出したときに前記電池スタックからの電力を遮断するスイッチを備える。
【００１２】
このような構成によれば、安全回路が正常に動作していることを条件に、スイッチによって、電池状態情報に基づいて異常であると判断された電池スタックを、他の電池スタックや負荷から切り離すことができる。仮に、安全回路が正常に動作しなくても、排気ダクトに放出されたガスに押された移動部材が移動することで、トリップボタンを押すことができる。すなわち、移動部材によって機械的に遮断器を動作させることで、仮に、安全回路が正常に動作せずスイッチがオフにならなくても、異常のある電池スタックを、他の電池スタックや負荷から電気的に切り離すことができる。
【００１３】
好ましい構成として、前記電池スタックは、ヒューズを備える。
このような構成によれば、ヒューズが溶断することで、異常のある電池スタックを、他の電池スタックや負荷から電気的に切り離すことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電池スタックの電力を機械的な構成で遮断することを可能とした電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態における電池パックの断面図。
【図２】図１の２−２断面図。
【図３】同実施形態における電池パックの回路図。
【図４】同実施形態における電池パックにおいて、遮断器のトリップボタンを押した状態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図４に従って、電池パックの一実施形態について説明する。本実施形態の電池パック１０は、リチウムイオン二次電池の電池パックである。電池パック１０は、例えば、電動フォークリフトやハイブリッドカーなどの車両に搭載され、走行モータを駆動するインバータなどの負荷へ電力を供給する。
【００１７】
図１および図２に示すように、電池パック１０は、複数の電池スタック１１と、複数の電池スタック１１を収容するケース１２とを備えている。電池スタック１１は、複数の電池セル１３がＸ方向に沿って配列されて構成される組電池である。電池パック１０は、一例として、５つの電池スタック１１がケース１２内において、幅方向Ｙに並んで収容されている。
【００１８】
各電池セル１３には、一例として、偏平形状をしたリチウムイオン二次電池が用いられている。１つの電池スタック１１は、複数の電池セル１３が一列に配列されており、複数の電池セル１３がバスバーによって直列接続されている。電池スタック１１を構成する各電池セル１３の間には、複数のスペーサ１４が介在されている。これらのスペーサ１４によって、各電池セル１３間に冷媒流路となる隙間が形成されている。このような冷媒通路は、電池セル１３の幅方向Ｙに沿って平行に延びる複数の隙間によって構成される。電池スタック１１の幅方向Ｙの一方側面には給気ダクト１５が取り付けられている。この給気ダクト１５を介してファン等により冷媒としての空気が供給されると、各電池セル２間の冷媒通路を空気が電池セル１３の表面に接触しつつ流れる。これにより、充放電時のセル内部の化学反応や環境温度等によって高温となった電池セル１３を冷却することができる。電池スタック１１の配列方向Ｘの両端には、一対のエンドプレート１６ａ，１６ｂが配置されている。一列に配列された複数の電池セル１３は、一対のエンドプレート１６ａ，１６ｂの間に挟み込まれ、結束バンドなどで一体化されている。
【００１９】
電池セル１３は、扁平角形をなす例えば金属製のセルケース１３ａ内に、正極電極、負極電極およびセパレータを巻回または積層して構成される電極群と、非水電解質とを封入して構成される。セルケース１３ａは、例えばアルミニウム合金等からなる金属板によって形成されている。セルケース１３ａの上面には、正極端子および負極端子が設けられている。これらの正極端子および負極端子にバスバーが接続されることにより、各電池セル１３が互いに電気的に接続されている。
【００２０】
また、セルケース１３ａの上面において幅方向Ｙの中央部分には、安全弁１８が設けられている。安全弁１８は、セルケース１３ａ内でガスが発生し、セルケース１３ａの内圧が所定値以上になったときに開弁して、内部のガスを放出する。一列に配列された複数の電池セル１３において、複数の電池セル１３の各々の安全弁１８も配列方向Ｘに一列に配列されている。
【００２１】
電池スタック１１の上部には、排気ダクト１９が設置されている。排気ダクト１９は、逆Ｕ字状の断面を有し、電池セル１３の配列方向Ｘに沿って直線形状をなして延伸している。また、排気ダクト１９は、各電池セル１３の上面に設けられた安全弁１８に対向する位置に配置されている。排気ダクト１９の配列方向Ｘのエンドプレート１６ａ側の一端部は閉塞端となっている。他方、排気ダクト１９の配列方向Ｘのエンドプレート１６ｂ側の他端部に近い位置には、排気口２１が設けられている。これにより、電池スタック１１を構成する何れかの電池セル１３の安全弁１８が作動してガスが噴出したとき、排気ダクト１９を介して排気口２１から電池スタック１１の外部に排出される。具体的には、排気口２１は、排気ダクト１９の他端部の近くの側面に設けられている。排気口２１には、更なる排気ダクトが接続されていてもよい。また、各電池スタックの排気ダクト１９は、１つの本管ダクトに接続され、本管ダクトから電池パック１０の外部にガスを排出するようにしてもよい。
【００２２】
排気ダクト１９には、他端部に近い位置に、移動部材２２が配列方向Ｘに移動可能に配設されている。移動部材２２は、排気ダクト１９の内面と摺接するフランジ部２２ａと、フランジ部２２ａに対して立設された軸部２２ｂとを備えている。フランジ部２２ａは、排気ダクト１９の内部であるガス流路の断面とほぼ同じ面積であり、外周面が排気ダクト１９の内周面に対して摺接する。排気ダクト１９の他端部は開口端２３を備えている。軸部２２ｂの先端部は、移動部材２２の配列方向Ｘにおける移動に応じて開口端２３に対して出没する。初期位置（非連通位置）にある移動部材２２（図１参照）は、フランジ部２２ａが排気口２１に対してエンドプレート１６ａ側に位置し、排気口２１と電池パック１０の外部とを連通していない状態にしている。排気ダクト１９において、非連通位置におけるフランジ部２２ａの位置とエンドプレート１６ａとの間には、各電池セル１３の安全弁１８が位置しており、安全弁１８が開いたとき、排気ダクト１９にガスが放出され貯留される。そして、排気ダクト１９内におけるガスの圧力が設定値以上となると、移動部材２２は、ガスに押されて配列方向Ｘにおけるエンドプレート１６ｂの側に向かって移動する。移動部材２２が移動することで、フランジ部２２ａは、排気口２１に対してエンドプレート１６ｂ側に移動する。すなわち、移動部材２２は、非連通位置から排気口２１を外部と連通させた連通位置にまで移動する。これにより、排気ダクト１９は、排気口２１を通じて電池スタック１１の外部と連通される。
【００２３】
各電池スタック１１において、エンドプレート１６ｂに対して近接し開口端２３と対向する位置には、遮断器、すなわちブレーカ２４が配設されている。ブレーカ２４は、遮断動作（トリップ）することによって電池スタック１１と外部回路との電気的な接続を遮断する。外部回路は、例えば他の電池スタック１１や負荷４０（図３参照）などである。ブレーカ２４は、電池スタック１１からの電力を強制的に遮断するトリップボタン２５を備えている。トリップボタン２５は、一例として押ボタンであって、押されたときに限って、電池スタック１１からの電力を遮断する。軸部２２ｂの先端部は、トリップボタン２５の押圧部であり、移動部材２２が非連通位置にある通常時、トリップボタン２５に対して離間して位置している。そして、移動部材２２がガスに押されて連通位置へと移動し開口端２３から突出したとき、軸部２２ｂの先端部は、トリップボタン２５を押圧する（図４参照）。なお、ブレーカ２４は、遮断状態を復旧させることができるハンドル２６を備えている。一例として、復旧時は、ハンドル２６を一端「切」にしてから「入」に戻す動作ように操作する。
【００２４】
図３に電池パック１０の電気回路図を示す。電池パック１０は、電池管理部であって電池パック１０の安全回路となるＢＭＳ３０を備えている。ＢＭＳ３０は、記憶部３１と、制御部３２とを備えている。なお、記憶部３１は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）により構成される。また、制御部３２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やプログラマブルディバイスにより構成される。ここでは、電池パック１０は、走行モータを駆動するインバータなどの負荷４０に対して電力を供給する。
【００２５】
各電池スタック１１において、ＢＭＳ３０は、スイッチ３３と、ヒューズ３４と、電流検出部３５と、温度検出部３６と、監視部３７とを備えている。スイッチ３３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体リレーや電磁式リレーにより構成され、電池セル１３に直列接続されている。
【００２６】
ヒューズ３４は、スイッチ３３を介して電池セル１３と直列接続されている。ヒューズ３４が溶断されていないときであって、スイッチ３３がオンのとき、その電池スタック１１は、他の電池スタック１１と電気的に並列接続されている。また、ヒューズ３４が溶断されていないときであって、スイッチ３３がオフになると、その電池スタック１１は、他の電池スタック１１から電気的に切り離され、出力される電力が遮断される。また、スイッチ３３がオンしているときにおいて、ヒューズ３４が溶断すると、その電池スタック１１は、他の電池スタック１１から電気的に切り離され、出力される電力が遮断される。
【００２７】
さらに、ヒューズ３４と電池スタック１１の端子との間にブレーカ２４が直列に接続されている。ヒューズ３４が溶断されずスイッチ３３がオンである場合において、ブレーカ２４がオン（遮断していない状態）のとき、その電池スタック１１は他の電池スタック１１と電気的に並列接続される。また、ヒューズ３４が溶断されずスイッチ３３がオンである場合において、ブレーカ２４がオフ（遮断状態）になると、その電池スタック１１は他の電池スタック１１と電気的に切り離される。なお、図３に示す例では、スイッチ３３やヒューズ３４やブレーカ２４が電池セル１３のマイナス端子側に接続されているが、スイッチ３３やヒューズ３４やブレーカ２４が電池セル１３のプラス端子側に接続されてもよい。
【００２８】
電流検出部３５は、例えば、カレントトランスにより構成され、電池スタック１１に流れる電流を検出する。温度検出部３６は、例えば、サーミスタにより構成され、電池セル１３の周辺温度を検出する。監視部３７は、例えば、ＣＰＵやプログラマブルディバイスにより構成され、電池セル１３の電圧を検出する。また、監視部３７は、制御部３２からの制御信号により、スイッチ３３のオン、オフを制御する。また、監視部３７は、電池セル１３の電圧、電流検出部３５により検出される電流、及び温度検出部３６により検出される温度を示す電池状態情報を制御部３２に出力する。
【００２９】
制御部３２は、電池状態情報に示される電圧、電流、及び温度のうちの少なくとも１つが閾値以上であると、その電池状態情報を出力した電池スタック１１が異常であると判断する。また、制御部３２は、電池状態情報に示される電圧、電流、及び温度が何れも閾値よりも小さいと、その電池状態情報を出力した電池スタック１１が正常であると判断する。制御部３２は、異常と判断された電池スタック１１が有するスイッチ３３をオフにし、その電池スタック１１を他の電池スタック１１から電気的に切り離す。
【００３０】
次に、以上のように構成された電池パック１０作用について説明する。
電池パック１０は、正常に動作しているとき、ブレーカ２４がオンであり、かつ、ヒューズ３４が溶断されずスイッチ３３がオンである場合、各電池スタック１１は並列接続されており、負荷４０に対して電力を供給する。
【００３１】
いずれかの監視部３７が異常を検出すると、制御部３２は、異常を検出した電池スタック１１が有するスイッチ３３をオフにし、その電池スタック１１を他の電池スタック１１から電気的に切り離す。
【００３２】
しかし、スイッチ３３が溶着などによって、異常時にオフ状態にならないこともある。その際、１つの電池スタック１１を構成する電池セル１３からガスが排気ダクト１９に排出される。図４に示すように、このような場合において、排気ダクト１９内におけるガスの圧力が設定値以上となると、移動部材２２は、配列方向Ｘにおけるエンドプレート１６ｂの側に向かって移動する。そして、移動部材２２の軸部２２ｂの先端部は、トリップボタン２５を押圧する。これを受け、ブレーカ２４がオフになると、その電池スタック１１は他の電池スタック１１と電気的に切り離される。この際、初期位置（非連通位置）にある移動部材２２は、連通位置まで移動し、排気ダクト１９内のガスを排気口２１から排気させる。
【００３３】
また、ヒューズ３４があることにより、スイッチ３３やブレーカ２４が何らかの原因でオフにならない状況で大電流が発生したときでも、ヒューズ３４が溶断し、電池スタック１１は、他の電池スタック１１から電気的に切り離される。
【００３４】
以上説明したように、実施形態の電池パック１０によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）電池パック１０は、スイッチ３３がオンの状態が維持され、ヒューズ３４が溶断しないときであっても、ブレーカ２４によって、異常のあった電池スタック１１を他の電池スタック１１や負荷４０から電気的に切り離すことができる。このとき、排気ダクト１９内のガスは、移動部材２２が非連通位置から連通位置に移動することで、排気口２１から電池スタック１１の外部へ排気することができる。
【００３５】
（２）排気ダクト１９は、各電池スタック１１において、一列に配列された電池セル１３の安全弁１８上に延在しており、配管構造が簡素化される。
（３）複数の電池スタック１１が並列接続されているので、１つの電池スタック１１がブレーカ２４やスイッチ３３やヒューズ３４によって、他の電池スタック１１から電気的に切り離されても、残りの電池スタック１１によって、負荷４０に対して電力を供給することができる。
【００３６】
（４）ＢＭＳ３０が正常に動作していることを条件に、ブレーカ２４が動作する前に、ＢＭＳ３０のスイッチ３３によって、他の電池スタック１１や負荷４０から電気的に切り離すことができる。仮に、ＢＭＳ３０が正常に動作しなくても、ブレーカ２４を移動部材２２によって機械的な構成で遮断動作させることで、異常のある電池スタック１１を、他の電池スタック１１や負荷４０から電気的に切り離すことができる。
【００３７】
（５）スイッチ３３やブレーカ２４が何らかの原因でオフにならない状況で大電流が発生したときでも、ヒューズ３４が溶断することで、異常のある電池スタック１１を他の電池スタック１１や負荷４０から電気的に切り離すことができる。
【００３８】
なお、上記実施形態は以下の形態にて実施することもできる。
・ブレーカ２４を備えているので、ヒューズ３４は省略してもよい。
・ブレーカ２４は、各電池スタック１１に設けられているが、負荷４０の直前に１つ設けるようにしてもよい。この場合、複数の電池スタック１１の排気ダクト１９は、最終的に１本の本管ダクトにまとめられる。そして、まとめられた本管ダクトに移動部材２２を配設し、本管ダクトにおけるガスの圧力によって、移動部材２２が移動され、ブレーカ２４が全ての電池スタック１１と負荷４０とを切り離すことになる。そして、本管ダクトの排気口からガスが排気されることになる。
【００３９】
・上記実施形態では、非連通位置と連通位置との間に排気口２１を設けた構成としたが、移動部材２２が移動することで、排気ダクト１９中のガスが排出される構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、連通位置において、排気ダクト１９の径を拡げて、移動後の移動部材２２（フランジ部２２ａ）と排気ダクト１９の間に隙間を設けるようにして、その隙間からガスを電池スタック１１の外部に放出する構成にしてもよい。
【００４０】
・複数の電池セル１３の各々の安全弁１８は配列方向Ｘに一列に配列されていなくてもよい。この場合、排気ダクト１９を各安全弁１８の上部に配置される構成にするようにすればよい。
【００４１】
・複数の電池スタック１１は、直列接続であってもよい。各電池スタック１１を構成する電池セル１３は、並列接続されていてもよい。また、電池パック１０が備える電池スタック１１は１つであってもよい。
【００４２】
・電池パック１０に使用する電池セル１３は、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等のアルカリ二次電池であってもよい。
・上記実施形態では、電池パック１０は自動車の電源として用いられる場合について例示した。しかしこれに限らず、二次電池は、電源として用いられるものであれば、各種の移動体や固定体など自動車以外の電源として用いられてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０…電池パック、１１…電池スタック、１２…ケース、１３…電池セル、１３ａ…セルケース、１４…スペーサ、１５…給気ダクト、１６ａ…エンドプレート、１６ｂ…エンドプレート、１８…安全弁、１９…排気ダクト、２１…排気口、２２…移動部材、２２ａ…フランジ部、２２ｂ…軸部、２３…開口端、２４…ブレーカ、２５…トリップボタン、２６…ハンドル、３０…ＢＭＳ、３１…記憶部、３２…制御部、３３…スイッチ、３４…ヒューズ、３５…電流検出部、３６…温度検出部、３７…監視部、４０…負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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