(57)【要約】【課題】車両に搭載された複数の電池セルのうちの一つが熱暴走した場合において、その影響が他の電池セルに及ぶのを防止した車両駆動用電池の保護機構を提供する。【解決手段】電池ケース１５内に配置された複数の電池セル１０と、電池セル１０の内圧が所定値以上に高まったときに電池セル１０内の気化ガスＧを解放する、各電池セル１０にそれぞれ設けられた安全弁１１と、各安全弁１１に接続され、この安全弁１１の作動に伴って解放された気化ガスＧを電池ケース１５外に排気する排気路１２と、安全弁１１の出口側に設けられる第一磁石１３と、第一磁石１３と同磁極同士が対向するように排気路１２に配置され、同磁極同士の反発力によって、第一磁石１３を安全弁１１側に付勢する第二磁石１４と、を備えた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池ケース内に配置された複数の電池セルと、
前記電池セルの内圧が所定値以上に高まったときに前記電池セル内の気化ガスを解放する、前記各電池セルにそれぞれ設けられた安全弁と、
前記各安全弁に接続され、この安全弁の作動に伴って解放された気化ガスを前記電池ケース外に排気する排気路と、
前記安全弁の出口側に設けられる第一磁石と、
前記第一磁石と同磁極同士が対向するように前記排気路に配置され、同磁極同士の反発力によって、前記第一磁石を前記安全弁側に付勢する第二磁石と、
を備えた車両駆動用電池の保護機構。
【請求項２】
前記安全弁の出口側と前記第一磁石との間に介在して、前記安全弁と前記第一磁石との間に、前記安全弁に臨む空気室を形成する封止部材をさらに備えた請求項１に記載の車両駆動用電池の保護機構。
【請求項３】
前記第一磁石及び前記第二磁石として、ネオジム磁石を採用した請求項１又は２に記載の車両駆動用電池の保護機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気自動車等のように駆動用の複数の電池セルを備えた車両において、一部の電池セルに発熱に起因する不具合が生じたときに、その不具合が他の電池セルに及ばないようにするための車両駆動用電池の保護機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両には、複数の電池セル（例えば、リチウムイオン電池）が収納された電池ケース（電池モジュール、電池パック）が搭載されている。そして、この電池セルから電力の供給を受けてモータが駆動される。この電池セルは、周囲の温度環境や過充電等によって熱暴走する（異常発熱する）場合がある。電池セルが熱暴走すると、その内圧が高まって、この電池セルが破裂する問題が生じ得る。このため、電池セルには、一般的に安全弁が設けられており、内圧が所定値以上となったときに安全弁を作動させて、電池セルが破裂するのを未然に防止している。
【０００３】
また、破裂に至らないまでも、異常発熱した電池セルが膨張して隣り合う電池セルに接触し、この電池セルが熱伝達によって加熱されて連鎖的に熱暴走する問題が生じ得る。そこで、例えば、特許文献１に示すように、隣り合う電池セルの間に断熱部材を設けて、一部の電池セルが異常発熱して膨張しても、隣り合う電池セルに直接接触しないようにして、複数の電池セルが連鎖的に熱暴走するのを防止する構成を採用することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４８８０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示すように、複数の電池セルが収納された電池ケースにおいては、複数の電池セルのうちの一つが熱暴走して安全弁が作動したときに、電池セル内の電解液が気化することによって生じた高温の気化ガスや、電解液の変質によって生成したカーボンを主成分とする黒煙が電池ケース内に充満することがある。
【０００６】
このように、電池ケース内に高温の気化ガスが充満すると、その気化ガスによって電池ケース内の他の電池セルが加熱され、他の電池セルが連鎖的に熱暴走する問題が生じる。また、電池ケース内に充満した黒煙が、熱暴走した電池セル以外の電池セルの表面に付着してその表面が黒色化すると、その電池セルの赤外吸収効率が高まって、熱暴走が加速する問題も生じる。電池セルの熱暴走を防止するために、電池ケース内に外気を導入して電池セルを冷却することも考えられるが、高温の黒煙と外気に含まれる酸素が反応してさらに発熱する虞があるため、好ましい方法とは言えない。
【０００７】
そこで、この発明は、車両に搭載された複数の電池セルのうちの一つが熱暴走した場合において、その影響が他の電池セルに及ぶのを防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明においては、電池ケース内に配置された複数の電池セルと、前記電池セルの内圧が所定値以上に高まったときに前記電池セル内の気化ガスを解放する、前記各電池セルにそれぞれ設けられた安全弁と、前記各安全弁に接続され、この安全弁の作動に伴って解放された気化ガスを前記電池ケース外に排気する排気路と、前記安全弁の出口側に設けられる第一磁石と、前記第一磁石と同磁極同士が対向するように前記排気路に配置され、同磁極同士の反発力によって、前記第一磁石を前記安全弁側に付勢する第二磁石と、を備えた車両駆動用電池の保護機構を構成した。
【０００９】
前記構成においては、前記安全弁の出口側と前記第一磁石との間に介在して、前記安全弁と前記第一磁石との間に、前記安全弁に臨む空気室を形成する封止部材をさらに備えた構成とすることができる。
【００１０】
前記各構成においては、前記第一磁石及び前記第二磁石として、ネオジム磁石を採用するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る車両駆動用電池の保護機構によると、通常時においては、第一磁石と第二磁石との間の反発力によって、各電池セルの安全弁の封止状態が保たれる。その一方で、複数の電池セルのうちの一つが熱暴走したときには、熱暴走した電池セルの第一磁石の磁力がその熱によって減磁するとともに安全弁が作動し、気化ガスが解放される。このとき、熱暴走した電池セル以外の電池セルにおいては、その電池セルに設けられた第一磁石と第二磁石の同磁極同士の反発力によって、その電池セルの安全弁の封止状態が保たれる。しかも、この安全弁に設けられた第一磁石によってその電池セルが断熱され、解放された気化ガスの熱がその電池セルには伝わらないため、この電池セルが連鎖的に熱暴走するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明に係る車両駆動用電池の保護機構において、安全弁が作動していない状態を示す縦断面図
【図２】図１に示す保護機構を示す斜視図
【図３】図１に示す保護機構において、安全弁が作動した状態を示す縦断面図
【図４】図１に示す保護機構の要部の変形例を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明に係る車両駆動用電池の保護機構１（以下においては、単に保護機構１と称する。）の一例の縦断面図を図１に、斜視図を図２にそれぞれ示す。この保護機構１は、電池モジュールを構成する複数の電池セル１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）のうちの一つが熱暴走して安全弁１１が作動したときに、その影響が他の電池セル１０に及ぶのを防止するためのものであって、複数の電池セル１０、安全弁１１、排気路１２、第一磁石１３、及び、第二磁石１４を主要な構成要素としている。
【００１４】
複数の電池セル１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）は、電池ケース１５内に収納されている。この電池セル１０として、リチウムイオン電池が採用されることが多い。このリチウムイオン電池には、可燃性の電解液が採用されている。この電解液は、過充電時等の異常状態において過熱して気化ガスとなり、さらにその過熱が進行すると、電解液の変質によって生成したカーボンを主成分とする黒煙を発生する場合がある（以下においては、気化ガスと黒煙をまとめて気化ガスＧと称する。）。
【００１５】
安全弁１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）は、各電池セル１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の上部の開口を塞ぐように設けられている。この安全弁１１は、電池セル１０内の気化ガスＧの内圧が所定値以上（例えば、５気圧以上）となったときに、その気化ガスＧを解放するように作動して、電池セル１０が破裂するのを防止する一方で、内圧が所定値よりも小さいときは電池セル１０の気密を確保する役目を有している。この安全弁１１の構造は特に限定されないが、例えば、浅い切れ込みを形成した金属板（厚さが数１００μｍ）を採用することができる。後述するように、安全弁１１に第一磁石１３が近接して配置される場合には、この厚みをさらに減じた金属箔（例えば、厚さが数１０μｍ）を採用することもできる。安全弁１１の作動圧力は、この安全弁１１の厚さ、切れ込みの形状や深さ、材質等を変えることによって、適宜変更することができる。
【００１６】
排気路１２は、一本の本管１２ａから複数の枝管１２ｂが分岐した構成となっている。本管１２ａには、電池ケース１５の外部に開口し、電池セル１０で発生した気化ガスＧを排気する開口部１２ｃが形成される。枝管１２ｂは、各電池セル１０に設けられた各安全弁１１にそれぞれ接続されている。安全弁１１の作動に伴って、電池セル１０から気化ガスＧが解放されると、この気化ガスＧは、枝管１２ｂ、本管１２ａ、及び、開口部１２ｃを通って電池ケース１５外に排気される。このように、一本の本管１２ａから複数の枝管１２ｂを分岐させて排気路１２を構成すると、気化ガスＧを各枝管１２ｂから独立して電池ケース１５外に排気する構成とした場合と比較して、配管系路がシンプルとなって低コスト化を図ることができる。
【００１７】
第一磁石１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）は、安全弁１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の出口側に、この安全弁１１を塞ぐように設けられている。また、第二磁石１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）は、排気路１２内の本管１２ａと枝管１２ｂの分岐部近傍に、第一磁石１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と同磁極同士が対向（例えば、第一磁石１３のＮ極と、第二磁石１４のＮ極が対向）するように固定されている。両磁石１３、１４間の反発力によって、第一磁石１３は安全弁１１側に付勢されている。この第二磁石１４は、排気路１２中の気化ガスＧの排気の妨げとならないように配置されている。
【００１８】
第一磁石１３及び第二磁石１４は、ネオジム磁石である。ネオジム磁石は、高い磁束密度を有するため、両磁石１３、１４の反発力によって、第一磁石１３を強く安全弁１１に押し付けることができる。また、キュリー温度は約３００℃で、フェライト磁石等の磁石と比較して相対的に低く、温度上昇に伴って急速に減磁する特性を有する。このため、電池セル１０の熱暴走によって、その電池セル１０に設けられた第一磁石１３が温度上昇すると、両磁石１３、１４間の反発力が急速に小さくなり、第一磁石１３の安全弁１１への押付力が小さくなる。
【００１９】
このように、反発力が小さくなると、電池セル１０が熱暴走して安全弁１１が作動した際に、この反発力に抗して第一磁石１３が枝管１２ｂ側から本管１２ａ側に移動しやすくなり、この電池セル１０内の気化ガスＧを速やかに解放することができる。なお、両磁石１３、１４の種類はネオジム磁石に限定されず、第一磁石１３の安全弁１１への十分な押付力を確保し得る限りにおいて、フェライト磁石等の他の磁石によって代替することも可能である。
【００２０】
電池ケース１５に収納された複数の電池セル１０のうち、一部の電池セル１０が熱暴走して気化ガスＧの内圧が所定値以上（例えば、５気圧以上）に高まると、図３に示すように、熱暴走した電池セル１０（本図では、中央に配置された電池セル１０ｂ）に設けられた安全弁１１ｂが作動して、気化ガスＧが解放される（本図中の矢印Ｇ参照）。この解放の際の圧力によって、熱暴走した電池セル１０ｂに設けられていた第一磁石１３ｂは、気化ガスＧとともに排気路１２の本管１２ａ側、又は、本管１２ａ外に吹き飛ばされて、電池セル１０ｂから本管１２ａの開口部１２ｃに至る通路が確保される。
【００２１】
熱暴走した電池セル１０ｂから解放された高温の気化ガスＧは、本管１２ａを通って電池ケース１５外に排気されるとともに、他の電池セル１０ａ、１０ｃに接続された枝管１２ｂにも流入する（図３参照）。他の電池セル１０ａ、１０ｃに流入した気化ガスＧは、まだ高温状態が維持されているが、他の電池セル１０ａ、１０ｃに設けられた第一磁石１３ａ、１３ｃが断熱体として作用するため、熱暴走した電池セル１０ｂの熱は他の電池セル１０ａ、１０ｃには及ばない。このため、複数の電池セル１０が連鎖的に熱暴走するのを防止することができる。
【００２２】
なお、熱暴走した電池セル１０ｂからの気化ガスＧの熱によって、他の電池セル１０ａ、１０ｃに設けられた第一磁石１３ａ、１３ｃ及び第二磁石１４ａ、１４ｃが加熱されて、両磁石１３、１４間の反発力が低下することも有り得るが、解放された気化ガスＧの圧力や第一磁石１３の自重によって、他の電池セル１０ａ、１０ｃに設けられた第一磁石１３ａ、１３ｃが安全弁１１ａ、１１ｃ側に押し付けられるため、この安全弁１１ａ、１１ｃと第一磁石１３ａ、１３ｃとの間の当接力が不十分となって気密性が損なわれるといった不具合が生じる虞はない。
【００２３】
図１に示した保護機構１の要部の変形例を図４に示す。この変形例においては、安全弁１１の出口側と第一磁石１３との間に介在するように、封止部材１６としてのＯリング（以下において、封止部材１６と同じ符号を付する。）が設けられている。このＯリング１６によって、安全弁１１と第一磁石１３との間に、内部が空気で満たされた空気室１７が形成される。この空気室１７内の空気の層は、枝管１２ｂ側と電池セル１０との間の断熱性を向上する役目を有する。このため、熱を持った気化ガスＧが、熱暴走した電池セル１０から、排気路１２の本管１２ａ及び枝管１２ｂを通って、熱暴走していない電池セル１０に接続した枝管１２ｂに到達した場合においても、この気化ガスＧによってこの電池セル１０が加熱されず、複数の電池セル１０の連鎖的な熱暴走を確実に防止することができる。
【００２４】
上記において示した第一磁石１３は、それ自体は気密性を備えていないが、例えば、第一磁石１３の外周縁にＯリング等の封止部材を設けた上で枝管１２ｂに挿入して第一磁石１３と枝管１２ｂの内面との間の気密性を確保することにより、この第一磁石１３に、安全弁としての機能を持たせることも考えられる。この場合、図１等に示した安全弁１１を必ずしも設けなくてもよいため、部品点数を減らすことによって、一層のコスト低減を図ることができる。
【００２５】
上記実施形態においては、同極を対向して設けた第一磁石１３と第二磁石１４の間の反発力によって安全弁１１を押し付ける構成としたが、電池セル１０の熱暴走時における安全弁１１の作動を妨げず、かつ、所定の断熱性を備えた部材を磁石の代わりに採用することもできる。例えば、安全弁１１の出口側の枝管１２ｂ内（図１等において、第一磁石１３を設けた位置）に樹脂製のキャップを嵌め込んだ構成とすることもできる。
【００２６】
この樹脂製のキャップは、電池セル１０内の気化ガスＧの内圧が所定値以上（例えば、５気圧以上）となって安全弁１１が作動したときに、この気化ガスＧによって吹き飛ばされる一方で、内圧が所定値よりも小さいときは、電池セル１０と枝管１２ｂとの間の気密を確保する役目を有している。さらに、このキャップは、電池セル１０が熱暴走して安全弁１１が作動したときにおいて、熱暴走した電池セル１０の熱が、他の電池セル１０に伝わるのを防止する断熱体として機能する。このため、図１等に示すように第一磁石１３及び第二磁石１４を設けた場合と同様に、複数の電池セル１０が連鎖的に熱暴走するのを防止することができる。また、樹脂製のキャップを採用した場合、図１等に示した第二磁石１４に相当する部材を排気路１２内に設ける必要がないため、安全弁１１の作動時に、気化ガスＧを一層スムーズに排気することができる。
【００２７】
上記の実施形態はあくまでも一例であって、車両に搭載された複数の電池セル１０のうちの一つが熱暴走した場合において、その影響が他の電池セル１０に及ぶのを防止する、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、各構成要素の形状、配置、材質等を適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  保護機構
１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）  電池セル
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）  安全弁
１２  排気路
１２ａ  本管
１２ｂ  枝管
１２ｃ  開口部
１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）  第一磁石
１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）  第二磁石
１５  電池ケース
１６  封止部材（Ｏリング）
１７  空気室
Ｇ  気化ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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