JP5579322B2 - 障害時にバッテリセルを熱的に分離させるための方法、および、当該バッテリセルを備えているバッテリモジュール - Google Patents

Description

本発明は、相互に隣接して配置されており、且つ、電気的に相互に接続されている複数のバッテリセルを備えているバッテリモジュールに関するものであり、複数のバッテリセルの間ではバッテリモジュール及び／又は個々のバッテリセルの障害時に、隣接するセルの過熱を回避するために、隣接するバッテリセル間の熱抵抗を上昇させることができる。更に本発明は、障害時にバッテリセルを熱的に分離させるための方法に関する。

車両用のエネルギ蓄積器及びエネルギ産業における用途のためのエネルギ蓄積器、例えば固定式のエネルギ蓄積器は、将来的に、遥かに大きい蓄積電位及びより高い信頼性、遥かに長い寿命、特に遥かに高い安全性レベルを有していることが必要になる。リチウムイオン／リチウム金属技術は他のエネルギ蓄積器に比べて明らかに性能が良く、また重量に関する利点も有しているが、しかしながら今日のところ、必要とされる安全性を未だなお備えていない。

リチウムイオンバッテリの安全性は、例えば車両における使用に関しては無視できない要素である。モバイル電子装置における用途と比較すると、電気自動車用電池の化学的な活性質量は遥かに高く、従って、潜在的な危険も遥かに大きくなっている。電極は簡単に発火する可能性がある有機性の電界質との突然の反応に対して、パッシベートされた表面フィルムでしか保護されていないので、フィルムに突発的に穴が開き易くなる動作状態、例えば高温状態、過充電状態又は過放電状態は回避されなければならない。局所的な過熱によってセルが熱的に制御不能になることは、例えば生産時の汚染物質に起因する内部の短絡によっても惹起される可能性がある。

一般的に、安全性は電極及び電界質に対して実際に選択された材料の組み合わせ並びにセルの製造品質に決定的に依存する。典型的には、電気自動車用電池は数百から数千の個々のセルから構成されており、それにより、要求される到達距離（バッテリ容量）及び出力が提供される。実際の実施の形態においては、複数の個々のセルが空間的に小型の一つのモジュールに実装される。一つのモジュールにおける複数のセルは通常の場合、熱的に制御不能になった際に単一のセルが隣接するセルも「発火させる」可能性がある程に密に詰め込まれている。その際に、連鎖反応によってバッテリモジュール全体が故障又は損傷する可能性がある危険が存在している。極端な場合には、バッテリモジュールが燃焼する危険もあり、特に、多数のバッテリモジュールタイプ、例えばリチウムイオン蓄電池は、アルカリ金属が水素を形成する水との典型的な反応を回避するために、水と接触してはならないことを考慮しなければならない。その限りにおいては、燃焼時に水を必要としない消火手段が使用されなければならない。

韓国の特許明細書KR 2006086120には、バッテリセルの修正された配置構成によるバッテリセルの廃熱が改善されており、且つ、バッテリセルに複数の冷却管が設けられているバッテリモジュールが開示されている。

US刊行物US 5456994Aには、電気自動車に使用するための、温度監視部及び閉鎖されたケーシングを備えているバッテリモジュールが開示されている。この明細書に記載されているバッテリモジュールは、前面側における空気吸入部及び背面側における空気排出部が設けられているケーシングを有している。ケーシングは分離部を用いて個々の小室に分離されており、それらの小室に個々のバッテリセルを装填することができる。

国際特許明細書のWO 2008027343には、車両用のバッテリモジュールが開示されており、そのバッテリモジュールにおいては相互に間隔を空けている複数のグループに複数のバッテリセルが配置されている。複数のバッテリセルは、ケーシング内部において、二つのグループに配置されており、それら二つのグループは中央領域によって相互に隔てられている。ケーシングは、冷却空気が中央領域からセルに到達できるように構成されている。各セルグループは、相互に相対的に間隔を空けた二つの位置に配置されている。

従来技術から公知のバッテリモジュールは、個々のバッテリセルが相互に近いことに基づき、ある一つのセルが熱的な過負荷状態になると隣接するセルも巻き添えになり、それらのセルが同様に過負荷状態になる危険が存在している可能性がある。極端な場合には、あるセルが制御不能になると、別の複数のセルも連鎖反応で制御不能になる可能性がある。その一方では、バッテリモジュールの可能な限り高いエネルギ密度が所望されており、そのためには可能な限り多くのバッテリセルの相互の間隔を狭くしなければならない。

従って、本発明の課題は、隣接するバッテリセルの熱的な制御不能が回避される、バッテリモジュール並びに方法を提供することである。

この課題は、請求項１に記載されているバッテリモジュール、並びに請求項８に記載されている方法によって解決される。別の実施の形態及び有利な実施の形態は、従属請求項また以下の説明並びに図面から明らかになる。

従って、相互に隣接して配置されており、且つ、電気的に相互に接続されている複数のバッテリセルと、バッテリセル及び／又はバッテリモジュールの少なくとも一つの動作パラメータを監視するための装置とを備えているバッテリモジュールが提供され、このバッテリモジュールは以下のことを特徴としている。即ち、バッテリモジュールが、隣接するバッテリセル間の熱抵抗を上昇させるための装置を有しており、この装置は、前述のバッテリセル及び／又はバッテリモジュールの少なくとも一つの動作パラメータを監視するための装置と接続されており、それにより、個々のセル及び／又はバッテリモジュールの監視される動作パラメータが閾値を超過した際に熱抵抗を上昇させるための装置が作動される。

従って通常の動作状態においては、本発明によるバッテリモジュールが、電気的に結合されているバッテリセルの可能な限り密なパッケージを有しており、これによって、バッテリモジュールの空間要求との比率において可能な限り高いエネルギ密度を達成することができる。更には、バッテリモジュールにおける複数のバッテリセルも熱的に結合させることができ、このことは、一つのバッテリモジュール内の同種の複数のバッテリセルにおいて、バッテリセルの可能な限り均一な出力を生じさせる。

バッテリセルを制御不能にする可能性があるバッテリセルの誤動作時又は過負荷時には、本発明によれば、隣接するバッテリセル間の熱抵抗が上昇される。これによって、誤動作しているか又は過負荷状態にあるバッテリセルから隣接するバッテリセルへの熱伝達を回避することができ、また特に、隣接するバッテリセルの損傷を阻止することができる。とりわけ、相互に隣接するセルの熱的な連鎖反応によるバッテリモジュール全体の燃焼を阻止することができる。

本発明によれば、動作パラメータは電圧、電流強度、充電電流、温度、又は、バッテリセル又はバッテリモジュールの機能及び／又は動作状態を推定することができる他のパラメータで良い。有利には、少なくとも、個々のバッテリセルの温度、バッテリセルのグループの温度及び／又はバッテリモジュール全体の温度が監視される。本発明の別の有利な実施の形態においては、個々のバッテリセル、バッテリセルのグループ及び／又はバッテリモジュール全体の少なくとも二つの動作パラメータが監視され、隣接するバッテリモジュール間の熱抵抗の上昇を引き起こす閾値として考察される。

本発明の一つの有利な実施の形態においては、個々のバッテリセル間の電気的な接続を分離するための装置が設けられており、この装置は、少なくとも一つの動作パラメータを監視するための装置と、監視される動作パラメータが閾値を超過した際にバッテリセル相互を電気的に分離させるように接続されている。

電気的に分離させるためのその種の装置は、例えばカットオフリレー、ダイオード等として形成することができる。本発明の一つの実施の形態においては、バッテリセルの電気的な分離を、複数の電気的な接続部における予め定められた破壊点によっても行うことができ、それらの接続部はバッテリセルの間隔が拡大された結果として分離され、それにより電気的な分離も生じる。その種の予め定められた破壊点を例えばコネクタ接続部の形態で実施することができる。これによって、閾値を超過した際のバッテリモジュールにおける電気的な短絡は危機的な動作状態を回避することができる。

本発明の一つの有利な実施の形態においては、個々のセル及び／又はバッテリモジュール全体の監視される動作パラメータが閾値を超過すると即座に、隣接するセル相互の間隔を拡大することによって、隣接するバッテリセル間の熱抵抗が上昇される。

本発明の一つの有利な実施の形態においては、隣接するバッテリセル間の熱抵抗を上昇させるための装置が、個々のセルの間隔を機械的に拡大するための装置、例えばバネエレメントであり、このバネエレメントはバッテリモジュールの通常の動作状態においては緊縮されており、閾値温度を超えると弛緩される。バネエレメントは、このバネエレメントの弛緩によって、隣接する少なくとも二つのバッテリセルの間隔が拡大されるように配置されている。この間隔の拡大を水平方向においても垂直方向においても行うことができる。従って、バッテリセルの間隔を拡大するために、バネエレメントが相互に隣接して配置されているバッテリセルを相互に押し出し、それによりセル間の熱抵抗が上昇される。同様に本発明によれば、バネエレメントは、閾値温度を超過した際に、バッテリセルの配置方向に直交する方向にバッテリセルを押し出し、それによって、隣接するバッテリセルの間隔がやはり拡大される。

本発明の別の一つの実施の形態においては、バッテリセル間の熱抵抗を上昇させるための装置が発火式の装置であり、この発火式の装置は、監視される動作パラメータが閾値を超過した際に少なくとも一つの動作パラメータを監視するための装置によって作動され、発火性の反応によって、隣接する少なくとも二つのバッテリセルの間隔が機械的に拡大される。その種の発火式の装置を例えばエアバッグ装置のように実施することができ、その種のエアバッグ装置では発火性の反応によって解放されたガスが折り畳まれたエアバッグに流入し、このエアバッグを展開させる。展開されたエアバッグは、前述のバネエレメントと同様に、熱抵抗を所望のように上昇させることができる。

本発明の別の一つの実施の形態においては、隣接するバッテリセル間の熱抵抗を上昇させるための装置は、監視される動作パラメータが閾値を超過した際に少なくとも一つの動作パラメータを監視するための装置によって作動されて、隣接する二つのバッテリセル間の間隙に絶縁発泡体を導入する機構によって形成されている。

適切な絶縁発泡体として、例えば、ポリウレタン、有利には、非可燃性のポリウレタンを基礎とする発泡体を使用することができる。その種の発泡体として、例えば防炎発泡体としてケーブル引込線に使用されるような発泡体が特に適している。導入された絶縁発泡体は、隣接する二つのバッテリセルの防火壁の機能を果たすことができる。

隣接するバッテリセル間に絶縁発泡体を導入するための機構は、例えば二成分発泡体の二つの反応成分を収容している貯蔵カートリッジを含むことができ、また、弁及び管路のような相応の機構も含むことができ、この機構によって、反応成分が混合され、反応混合物として隣接する二つのバッテリセル間の間隙に導入される。有利には、二つの反応成分の混合が、空間的にも時間的にも、二つのバッテリセル間の間隙に導入される直前に行なわれる。

本発明によれば、バッテリモジュールを形成するために必要とされるバッテリセルを収容するケーシングは、有利には、監視される少なくとも一つの動作パラメータが閾値を超過した際に、隣接する二つのバッテリセルの間隔を拡大させるための十分な空間を有するように形成されている。このことは、ケーシングが隣接する二つのバッテリセルの間隔を拡大するために利用することができる空間を有することによって実施することができる。同様に、ケーシングは予め定められた破壊点を有することができ、そのような予め定められた破壊点は、熱抵抗を上昇させることが必要になった場合に開かれ、隣接する二つのバッテリセルの間隔を拡大することができる。また本発明によれば、ケーシングをアコーディオンのように形成することができ、それにより、例えば上記において説明したバネエレメント又は発火式の装置によって、ケーシングの相互的な伸縮が実現される。

更に本発明によれば、バッテリモジュール内に相互に隣接して配置されている複数のバッテリセルを熱的に分離させるための方法が提供され、この方法では、個々のバッテリセル及び／又はバッテリモジュールの少なくとも一つの動作パラメータが監視され、バッテリセル及び／又はバッテリモジュールの監視される動作パラメータが閾値を超過した際に、相互に隣接して配置されている二つのセル間の熱抵抗が上昇される。

本発明による方法の一つの有利な実施の形態においては、隣接する二つのバッテリセル間の熱抵抗が、隣接する二つのバッテリセルの間隔を拡大することによって上昇される。この間隔の拡大を、例えばバネエレメント及び／又は発火式の装置を使用する前述の装置によって実施することができる。

本発明による方法の一つの有利な実施の形態においては、隣接する二つのバッテリセルの間隔を拡大する前に、個々のバッテリセルが例えばカットオフリレーによって電気的に分離される。これによって、バッテリセルの間隔が拡大した際の電気的な短絡又はアークを回避することができる。

本発明による方法の別の一つの実施の形態においては、熱抵抗を上昇させるために、隣接する二つのバッテリセル間の間隙に絶縁発泡体が導入される。

ここで有利には、少なくとも二つの反応成分から成る非可燃性の反応性発泡体が貯蔵カートリッジから適切な装置を用いて、隣接する二つのバッテリセルの間の間隙に導入される。

本発明の別の実施の形態は、従属請求項、下記の実施例の説明、図面及び図面の説明より明らかになる。

本発明によるバッテリモジュールの機能を概略的に示す。 絶縁発泡体を使用した、本発明によるバッテリモジュールの機能を概略的に示す。

図１には、本発明によるバッテリモジュール１の機能が概略的に示されている。図１Ｂには、バッテリモジュール１の通常の動作状態が示されており、この動作状態においては、バッテリケーシング７内に配置されているバッテリセル２，３が相互に狭い間隔を置いて配置されている。バッテリセル２，３の間には、複数のバネエレメント４が配置されており、それらのバネエレメント４はバッテリモジュールの通常の動作状態において緊縮された状態にある。バッテリモジュール２，３は、バネエレメントによって及ぼされる力に反して、閉じられた保持クランプ６によって一緒に保持される。閉じられた保持クランプ６にはサーモエレメントが実装されており、このサーモエレメントは閾値温度を超過した際に保持クランプ６を開く。参照番号５が付されたウェブは、バッテリセル２，３の冷却リブとして使用され、また、図示されているバッテリモジュール１の通常の動作状態においては、冷却空気を流すことができる冷却管を形成している。図１Ａにも本発明によるバッテリモジュール１が示されているが、ここでは、バッテリセル３の過熱による閾値温度の超過後に全ての保持クリップが作動され、バッテリケーシング７内に配置されているバッテリセル２，３が、それらバッテリセル２，３間の熱抵抗を上昇させるために、バネエレメント４のバネ力によって相互に離れる方向に押し出されている。図１Ｃには、バッテリセル３の過熱によって、このバッテリセル３に取り付けられている保持クリップのみが作動されており、それによって過熱されたバッテリセル３は、それぞれ対になって配置されているバッテリセル２から空間的に隔てられている。

図２には、障害時における相互に隣接して配置されている二つのバッテリセル２，３間の熱抵抗の上昇が絶縁発泡体によって惹起される、本発明によるバッテリモジュール１の実施の形態が示されている。サーモセンサ９を介して、閾値温度の超過時には弁１２が開かれ、この弁１２によって、貯蔵カートリッジ１３から非可燃性の二成分ポリウレタン発泡体が集合管１０及び分配管１１を介して、冷却リブ５によって形成されている冷却管８へと流れ込み、そこにおいて自然発生的に熱絶縁層を形成しながら硬化する。

Claims (7)

1. 相互に隣接して配置されており、且つ、電気的に相互に接続されている複数のバッテリセル（２，３）と、前記バッテリセル（２，３）及び／又はバッテリモジュール（１）の少なくとも一つの動作パラメータを監視する装置（６，９）とを備えているバッテリモジュール（１）であって、
   前記バッテリモジュール（１）は、隣接するバッテリセル（２，３）間の熱抵抗を上昇させる装置（４，８）を備えており、該熱抵抗を上昇させる装置（４，８）は、前記バッテリセル（２，３）及び／又は前記バッテリモジュール（１）の少なくとも一つの動作パラメータを監視する装置（６，９）と接続されており、該接続により、監視される前記動作パラメータが閾値を超過した際に、前記熱抵抗を上昇させる装置（４，８）が作動される、バッテリモジュールにおいて、
   前記バッテリセル（２，３）間の前記熱抵抗を上昇させる装置（４）は、個々のバッテリセル（２，３）間の間隔を機械的に拡大させる装置であり、
   前記バッテリセル（２，３）間の前記熱抵抗を上昇させる装置（４）は少なくとも一つのバネエレメントによって形成されており、該バネエレメントは前記バッテリモジュール（１）の通常の動作状態において緊縮されており、監視される前記動作パラメータが前記閾値を超過した際には弛緩され、
   前記バネエレメントは、該バネエレメントの弛緩により、隣接する少なくとも二つのバッテリセル（２，３）の間隔が拡大されるように、前記バッテリモジュール（１）内に配置されている、
   ことを特徴とする、バッテリモジュール（１）。
2. 前記バッテリモジュール（１）は、個々のバッテリセル間の電気的な接続を分離するための装置を備えており、該装置は、前記少なくとも一つの動作パラメータを監視する装置（６，９）と接続されており、該接続により、閾値温度の超過時には前記バッテリセル（２，３）相互の電気的な分離が行なわれる、請求項１に記載のバッテリモジュール（１）。
3. 前記バッテリセル（２，３）間の前記熱抵抗を上昇させるための装置（４）は発火式の装置であり、該発火式の装置は、監視される前記動作パラメータが閾値を超過した際に前記少なくとも一つの動作パラメータを監視する装置（６，９）によって作動され、発火性の反応によって、隣接する少なくとも二つのバッテリセル（２，３）の間隔が機械的に拡大される、請求項１又は２に記載のバッテリモジュール（１）。
4. 隣接するバッテリセル（２，３）間の前記熱抵抗を上昇させる装置（８）は、監視される前記動作パラメータが前記閾値を超過した際に、前記少なくとも一つの動作パラメータを監視する装置（９）によって作動されて、隣接する二つのバッテリセル（２，３）間の間隙に絶縁発泡体を導入する機構によって形成されている、請求項１又は２に記載のバッテリモジュール（１）。
5. 前記絶縁発泡体はポリウレタンを基礎とする非可燃性の絶縁発泡体である、請求項４に記載のバッテリモジュール（１）。
6. 個々のバッテリセル（２，３）及び／又はバッテリモジュール（１）の少なくとも一つの動作パラメータを監視し、
   バッテリセル（２，３）及び／又はバッテリモジュール（１）の監視される前記動作パラメータが閾値を超過した際に、相互に隣接して配置されている二つのバッテリセル（２，３）間の熱抵抗を上昇させることを特徴とする、バッテリモジュール（１）内に相互に隣接して配置されている複数のバッテリセル（２，３）を熱的に分離させるための方法において、
   前記熱抵抗を上昇させるために、隣接する二つのバッテリセル（２，３）間の間隙に絶縁発泡体を導入することを特徴とする、方法。
7. 前記熱抵抗を、隣接する二つのバッテリセル（２，３）の間隔を拡大させることにより上昇させる、請求項６に記載の方法。

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