JP6187782B2

JP6187782B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP6187782B2
Application number: JP2014556402A
Authority: JP
Inventors: 安井　俊介; 俊介安井; 圭亮内藤; 実成福住; 野矢　重人; 重人野矢
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: US9853276B2; JPWO2014109284A1; US20150349314A1; WO2014109284A1

Description

本発明は、複数の電池モジュールをケース内に収容した電池パックに関する。

複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な電池を並列・直列接続して、所定の電圧及び容量を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている（例えば、特許文献１等）。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、自動車等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットと有する。

特開２０１１−２０４５７４号公報

ところで、例えば、電池パックを自動車等の車両に搭載した場合、車両が冠水路等を走行した際、電池パック内に水等が侵入するおそれがある。また、仮に、電池パックをパッキング等で密閉状態にしたとしても、車両の振動や外部からの衝撃等で、パッキングがゆるみ、電池パックの密閉性が喪失する場合がある。その場合、やはり、電池パック内に水等が侵入するおそれがある。しかしながら、従来、何らかの原因で、電池パック内に水等が侵入した場合の電池パックの安全性については、ほとんど考慮されていなかった。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、万一、電池パック内に水等が侵入した場合でも、安全性を維持することができる電池パックを提供することにある。

本発明に係る電池パックは、複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールを収容する外装ケースとを備え、各電池モジュールは、電池モジュールの外部端子同士を接続する接続部材で互いに直列接続されており、複数の電池モジュールは、両端間の電位差が少なくとも６０Ｖ以下となる複数の電池モジュールからなるグループに分割されており、隣接するグループ間の電池モジュールの外部端子同士は、第１の接続部材で互いに直列接続されており、グループ内の電池モジュールの外部端子同士は、第２の接続部材で互いに直列接続されており、外装ケース内に水が浸入したとき、第１の接続部材は、外装ケース内に侵入した水により第２の接続部材よりも優先的に電気的に遮断されるべく前記第２の接続部材よりも溶解速度の速い材料で構成されていることを特徴とする。

ある好適な実施形態において、第１の接続部材は銅からなり、第２の接続部材はアルミニウムからなる。

本発明によれば、万一、電池パック内に水等が侵入した場合でも、安全性を維持できる電池パックを提供することができる。

電池パックを自動車等の車両に搭載した例を示した図である。外装ケース内に水が浸水した状態の電池パックを示した図である。本発明の一実施形態における電池モジュールの構成を示した斜視図である。本発明の一実施形態における電池パックの構成を示した概念図である。本発明の一実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態における接続部材の構成を示した図である。本発明の一実施形態における電池パックの構成を示した断面図である。本発明の第１の接続部材の構成を示した図である。

本発明の実施形態を説明する前に、まず、本発明を想到するに至った経緯を説明する。

図１は、電池パック２００を自動車等の車両に搭載した例を示した図である。例えば、図１に示した例では、車両のシートの下方にある空間に、電池パック２００が搭載されている。ここで、電池パック２００は、複数の電池モジュールが外装ケース内に収容されている。

図２は、複数の電池モジュール１００が、外装ケース２０内に収容された電池パックにおいて、外装ケース２０内に水が浸水した状態の電池パック２００を示した図である。ここで、各電池モジュール１００は、それぞれ絶縁性のケース内に収容され、電池モジュール１００の正負の外部端子１１ａ、１１ｂ間は、接続部材（バスバー）３０で互いに直列接続されている。例えば、電気自動車に搭載された電池パック２００では、多数に直列接続された電池モジュール１００の両端間の電位差が２００Ｖ以上になる場合がある。

もし、図２に示すように、外装ケース２０内に海水等の電気伝導度の高い水（以下、単に「水」という）が浸水して、接続部材３０が水に浸ると、外装ケース２０が金属材料で構成されている場合、直列接続された電池モジュール間の高い電圧が、水を介して外装ケース２０に漏電することが想定される。もし、このような状態で、人が誤って外装ケース２０に触れると、感電するおそれがある。

しかしながら、従来、何らかの原因で、電池パック内に水等が侵入した場合の感電に対する安全対策は、全く考慮されていなかった。

本発明は、かかる知見に基づきなされたもので、万一、電池パック内に海水等の水が侵入した場合でも、人が誤って電池パックに接触して感電するのを防止することのできる電池パックを提供するものである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図３は、本発明の一実施形態における電池モジュール１００の構成を示した斜視図である。

図３に示すように、電池モジュール１００は、複数の電池（不図示）が直列接続された状態で、絶縁性のケース１０内に収容されている。なお、電池モジュール１００は、直列接続された複数の電池の他に、並列接続された複数の電池を含んでいてもよい。また、ケース１０の一側面には、外部端子１１ａ、１１ｂが設けられている。

図４は、本発明の一実施形態における電池パック２００の構成を示した概念図である。

図４に示すように、電池パック２００は、複数の電池４０が直列接続された電池モジュール１００が、接続部材３０を介して、互いに直列接続されている。例えば、電池モジュール１００が、１０個の直列接続された電池で構成されており、電池パック２００が、１０個の直列接続された電池モジュール１００で構成されている場合、電池パック２００は、１００個の電池が直列接続された構成になっている。

なお、図４に示した電池４０は、１個の電池ではなく、複数の電池が並列接続された電池であってもよい。また、電池パック２００は、直列接続された複数の電池モジュール１００の他に、並列接続された複数の電池モジュール１００を含んでいてもよい。

ここで、電池モジュール１００に収容される電池４０は、特に制限されないが、例えば、円筒形のリチウムイオン電池等を使用することができる。

また、本発明において、「電池モジュール」とは、複数の電池が、絶縁性のケース内に収容された集合体をいい、例えば、電池ブロック、組電池等と区別されるものではない。

図５は、本実施形態における電池パック２００の構成を示した断面図である。

図５に示すように、電池パック２００は、複数の電池モジュール１００が、外装ケース２０内に収容されている。各電池モジュール１００は、それぞれ、外部端子１１ａ、１１ｂを備えた絶縁性のケース内に収容され、電池モジュール１００の各外部端子１１ａ、１１ｂ間は、接続部材３０ａ、３０ｂで互いに接続されている。

なお、接続部材３０ａ、３０ｂは、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、外部端子１１ａ、１１ｂとの接続部位を除く領域を、絶縁性のカバー５０で覆っておいてもよい。ここで、図６（ａ）は、接続部材３０ａ、３０ｂの正面図、図６（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。これにより、人が誤って接続部材３０ａ、３０ｂに触れて、感電するのを防止できる。

図５に例示した電池パック２００では、１２個の電池モジュール１００が直列接続されており、例えば、１個の電池モジュールの外部端子１１ａ、１１ｂ間の電位差が１５Ｖの場合、１２個の直列接続された電池モジュール１００の両端間の電位差は１８０Ｖとなる。

電池パック２００を構成する複数の電池モジュール１００は、両端間の電位差が感電による事故が想定される電位差（少なくとも６０Ｖ以下）よりも低い複数の電池モジュール１００からなるグループ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃに分割されている。

図５に例示した電池パック２００では、４個の電池モジュール１００からなる３つのグループ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃに分割されている。この場合、各グループ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの両端間の電位差は、それぞれ６０Ｖとなる。もちろん、グループの分割の仕方は任意であり、個数の異なる電池モジュール１００からなるグループに分割してもよい。

本実施形態において、隣接するグループ１００Ａ、１００Ｂ、及び１００Ｂ、１００Ｃ間の電池モジュールの外部端子１１ａ、１１ｂ同士は、第１の接続部材３０ａで互いに直列接続されている。また、グループ１００Ａ〜１００Ｃ内の電池モジュールの外部端子１１ａ、１１ｂ同士は、第２の接続部材３０ｂで互いに直列接続されている。そして、外装ケース２０内に水が浸水したとき、第１の接続部材３０ａは、第２の接続部材３０ｂよりも優先的に電気的に遮断される。

このような接続部材３０ａ、３０ｂは、外装ケース２０内に浸水した水により溶解する材料で構成されており、第１の接続部材３０ａが、第２の接続部材３０ｂよりも、溶解速度の速い材料で構成されている。例えば、第１の接続部材３０ａを銅で構成し、第２の接続部材３０ｂをアルミニウムで構成することができる。

図７に示すように、外装ケース２０内に水が浸水して、接続部材３０ａ、３０ｂが水に浸ると、第１の接続部材３０ａを構成する銅は、水と化学反応して、銅が水中に溶け出す。特に、第１の接続部材３０ａに直流電流が流れていると、水との化学反応が加速されるため、銅はより早く水中に溶け出す。例えば、銅が塩分５％の水に浸り、第１の接続部材３０ａに１０Ａの直流電流が流れている場合、厚みが１ｍｍで、１０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの銅片は、約１０分程度で、完全に水中に溶ける。

従って、接続部材３０が水に浸ってから、比較的短時間に、第１の接続部材３０ａを構成する銅が水中に溶けて、グループ１００Ａ、１００Ｂ及び１００Ｂ、１００Ｃ間の電気的接続を遮断することができれば、外装ケース２０と外部端子１１ａ、１１ｂ間には、最高でも、４個の電池モジュールに分割されたグループ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃによる電位差（６０Ｖ）しか生じないため、感電による事故を防止することができる。これにより、万一、電池パック内に海水等の水が侵入した場合でも、人が誤って電池パックに接触して感電するのを防止することができる。

本発明によれば、外装ケース２０内に水が浸水したとき、グループ間の電池モジュール１００の外部端子１１ａ、１１ｂ同士を接続する第１の接続部材３０ａを、グループ内の電池モジュール１００の外部端子１１ａ、１１ｂ同士を接続する第２の接続部材３０ｂよりも、溶解速度の大きな材料で構成することによって、グループの両端間の電位差以上となる複数の電池モジュール間の接続を、電気的に遮断することができる。これにより、感電による事故の要因となる外装ケース２０と外部端子１１ａ、１１ｂ間の高電位差をなくすことができる。その結果、外装ケース２０内に、海水等の水が侵入した場合でも、人が誤って電池パックに接触して感電するのを防止することができる。

ところで、本発明では、第１の接続部材３０ａを、第２の接続部材３０ｂよりも、溶解速度の速い材料で構成することによって、外装ケース２０内に水が浸水したとき、第１の接続部材３０ａを、第２の接続部材３０ｂよりも優先的に溶解させて、グループ間の接続を電気的に遮断するものである。

そこで、本発明に適合しうる接続部材３０ａ、３０ｂの材料について、以下の試験方法により検討を行った。

容器に入れた５％濃度の塩水１Ｌに、正極端子、及び負極端子を浸し、端子間に１００Ｖの電圧を６分間印加して、正極端子及び負極端子の材料の溶解率を測定した。ここで、端子間の距離は２０ｍｍとし、正極端子及び負極端子が塩水に浸った部分の質量変化を、その端子の材料の溶解率とした。なお、端子には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス（Ｓｕｓ）の材料を用いた。また、端子は、幅を３０ｍｍ、厚みを、アルミニウムが１．５ｍｍ、銅が１．０ｍｍ、ステンレスが５ｍｍの平板を用い、塩水に浸した平板の長さを１０ｍｍとした。

表１は、その結果を示した表である。表１に示すように、正極端子において、溶解が生じているのが分かる。そして、正極端子に銅を用いた場合が、最も溶解率が大きいことが分かる。なお、負極端子での溶解率がマイナスになっているのは、負極端子に付着物が着いたためである。

次に、負極端子にアルミニウム、正極端子に銅を用いた場合に、端子間の距離を変えたときの溶解率の変化を測定した。

表２は、その結果を示した表である。表２に示すように、端子間の距離を２０〜１００ｍｍの範囲に変えても、銅の溶解率は変化しないことが分かる。また、端子間に電圧を印加する時間を１０分にした場合、正極端子の溶解率は１００％となり、完全に溶解することが分かる。

以上の結果から、本発明に適合しうる第１の接続部材３０ａの材料としては、銅が好ましいことが分かる。なお、銅を第１の接続部材３０ａに用いた場合、第２の接続部材３０ｂとしては、アルミニウムやステンレススチールを用いることが好ましい。

なお、表１において、負極端子に銅を用い、正極端子にアルムニウムを用いた場合、負極端子の銅は溶解せず、正極端子のアルミニウムが溶解している。しかしながら、本発明における電池パックは、複数の電池モジュールが直列に接続された構成をなしているため、高電位側に接続された第１の接続部材３０ａに銅を用いていれば、当該第１の接続部材３０ａを構成する銅が溶解することになる。

本発明において、第１の接続部材３０ａが水に浸ったとき、第１の接続部材３０ａが完全に溶ける必要はなく、その一部が溶けて、外部端子１１ａ、１１ｂ間の導通が遮断されればよい。

また、第１の接続部材３０ａの断面積が変わらないように、厚みを薄くし、幅を大きくすることによって、抵抗値を変えずに、第１の接続部材３０ａの溶解時間をより短縮することができる。

また、図６（ａ）、（ｂ）に示したように、第１の接続部材３０ａが絶縁性のカバー５０で覆われている場合でも、第１の接続部材３０ａのカバー５０で覆われていない露出部は、外装ケース２０内に侵入した水に浸るため、第１の接続部材３０ａの溶解が妨げられることはない。

図８は、遮断時間の短縮を図った第１の接続部材３０ａの構成示した図である。図８に示すように、第１の接続部材３０ａは、その一部に幅の狭い（断面積が小さい）部位３１を有している。そのため、第１の接続部材３０ａが水に浸った場合、部位３１が優先的に溶解するため、第１の接続部材３０ａの遮断時間をより短くすることができる。また、第１の接続部材３０ａに、幅狭の部位３１を設ける代わりに、肉薄の部位を設けてもよい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、電池パックを、両端間の電位差が６０Ｖとなる複数の電池モジュールからなるグループに分割したが、これに限定されず、両端間の電位差が感電による事故が想定される電位差（少なくとも６０Ｖ）以下となる複数の電池モジュールからなるグループに分割すればよい。例えば、図５に例示した電池パック２００を、３個の電池モジュール１００からなる４つのグループに分割すれば、各グループの両端間の電位差は、それぞれ４５Ｖとなる。

また、上記実施形態において、電気的に遮断される第１の接続部材３０ａとして、外装ケース２０内に浸水した水により溶解する材料で構成される例を説明したが、これに限定されない。例えば、外装ケース２０内に、電池モジュール１００が浸水したことを検出するセンサーが配置され、グループ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ間の外部端子１１ａ、１１ｂ同士を接続する第１の接続部材３０ａが、センサーの検出信号により、電気的に遮断されるブレーカ機構を有していてもよい。

また、上記実施形態では、電池パック２００を、複数の電池モジュール１００を集合して構成したが、複数の電池を集合して構成したものであってもよい。この場合、図４に示した電池パック２００において、複数の電池４０が直列接続された電池モジュール１００は、大型の電池に置き換わる。すなわち、他の実施形態における電池パック２００は、複数の電池と、複数の電池を収容する外装ケースとを備え、電池の各電極端子同士は、接続部材で互いに直列接続されており、複数の電池は、両端間の電位差が少なくとも６０Ｖ以下となる複数の電池からなるグループに分割されており、隣接するグループ間の電池の電極端子同士は、第１の接続部材で互いに直列接続されており、グループ内の電池の電極端子同士は、第２の接続部材で互いに直列接続されており、外装ケース内に水が浸水したとき、第１の接続部材は、第２の接続部材よりも優先的に電気的に遮断される。

また、上記実施形態では、電池パック内に海水等の水が浸入した場合を想定して説明したが、電池パック内の電池モジュールを冷却するために、電池パック内に配設された冷却管から冷却液（冷媒）が流出した場合においても、同様の効果を奏する。

なお、本発明は、電池パック内に海水等の水が浸入した場合、あるいは、電池パック内に配設された冷却管から冷却液（冷媒）などが流出した場合でも、人が誤って電池パックに接触して感電するのを防止する効果を奏するが、これは、電池パックを、両端間の電位差が感電による事故が想定される電位差（少なくとも６０Ｖ）以下となる複数の電池モジュールからなるグループに分割したことによるものである。このような手段は、電池パック内に海水等の水が侵入したとき、両端間の電位差が大きい電池モジュールの外部端子と外装ケース間に、アーク放電が起きる場合にも効果的である。すなわち、電池パックを、両端間の電位差がアーク放電の発生が想定される電位差（５０〜１５０Ｖ）よりも低い複数の電池モジュールからなるグループに分割し、電池パック内に水が浸入したとき、グループ間を接続する第１の接続部材を遮断することによって、アーク放電の発生を防止することができる。これにより、アーク放電に起因する電池の発火や破裂を防止することができる。

本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１０ケース
１１ａ、１１ｂ外部端子
２０外装ケース
３０接続部材
３０ａ第１の接続部材
３０ｂ第２の接続部材
４０電池
５０カバー
１００電池モジュール
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃグループ
２００電池パック

Claims

複数の電池モジュールと、
前記複数の電池モジュールを収容する外装ケースと
を備え、
前記各電池モジュールは、該電池モジュールの外部端子同士を接続する接続部材で互いに直列接続されており、
前記複数の電池モジュールは、両端間の電位差が少なくとも６０Ｖ以下となる複数の電池モジュールからなるグループに分割されており、
隣接する前記グループ間の電池モジュールの外部端子同士は、第１の接続部材で互いに直列接続されており、
前記グループ内の電池モジュールの外部端子同士は、第２の接続部材で互いに直列接続されており、
前記外装ケース内に水が浸入したとき、前記第１の接続部材は、前記外装ケース内に侵入した水により前記第２の接続部材よりも優先的に電気的に遮断されるべく前記第２の接続部材よりも溶解速度の速い材料で構成されている、電池パック。
前記第１の接続部材は銅からなり、前記第２の接続部材はアルミニウムからなる、請求項１に記載の電池パック。
前記外装ケース内に、該外装ケース内に水が浸水したことを検出するセンサーが配置されており、
前記第１の接続部材は、前記センサーの検出信号により、電気的に遮断されるブレーカ機構を有している、請求項１に記載の電池パック。
前記外装ケースは、金属材料で構成されている、請求項１に記載の電池パック。
複数の電池と、
前記複数の電池を収容する外装ケースと
を備え、
前記電池の各電極端子同士は、接続部材で互いに直列接続されており、
前記複数の電池は、両端間の電位差が少なくとも６０Ｖ以下となる複数の電池からなるグループに分割されており、
隣接する前記グループ間の電池の電極端子同士は、第１の接続部材で互いに直列接続されており、
前記グループ内の電池の電極端子同士は、第２の接続部材で互いに直列接続されており、
前記外装ケース内に水が浸入したとき、前記第１の接続部材は、前記外装ケース内に侵入した水により前記第２の接続部材よりも優先的に電気的に遮断されるべく前記第２の接続部材よりも溶解速度の速い材料で構成されている、電池パック。
前記第１の接続部材は銅からなり、前記第２の接続部材はアルミニウムからなる、請求項５に記載の電池パック。
前記外装ケース内に、該外装ケース内に水が浸水したことを検出するセンサーが配置されており、
前記第１の接続部材は、前記センサーの検出信号により、電気的に遮断されるブレーカ機構を有している、請求項５に記載の電池パック。
前記外装ケースは、金属材料で構成されている、請求項５に記載の電池パック。