JP5953925B2 - 電池のエネルギ放出装置 - Google Patents

Description

本発明は車両に搭載される電池のエネルギ放出装置、特に、車両に搭載される電池パック内に収容した駆動用の電池の電気エネルギを放出させる電池のエネルギ放出装置に関するものである。

車両、特に、駆動源としてモータで走行する電気自動車（以後ＥＶと記す）、プラグインハイブリッド車（以後ＰＨＶと記す）あるいは、燃料電池で駆動するモータなどを用いて走行する車両等の電気式自動車では、駆動源のモータやインバータ（電力制御装置）を駆動源収容室側に収容し、車室下部側に駆動用の電池を配備し、両者を高電圧ケーブルで結び、相互間の電力の授受を可能としている。ここで通常、駆動用の電池は筐体である電池パック内に収容された上で車室フロアの下部に支持される。

このような駆動用の電池を搭載するＥＶ、ＰＨＶ等の電気自動車が事故等を起こし、車体が破損して非常事態に陥るとすると、その車両に対する救命、復旧作業を行い、それと共に破損状況に応じて故障車両の高電圧電源回路と電池パックの電池側とを遮断して復旧作業時における感電や発火などの防止処理を行っている。

例えば、高電圧電源回路と電池を遮断する場合、通常は、車体のフロアに設けられた貫通穴のサービスプラグ用リッドを開いて貫通穴を開口させ、ここを通して電池パック内の電源回路を開閉可能な開閉器よりサービスプラグを引き抜き、高電圧電源回路と電池とを遮断している。しかも、この後、車両の破損状況に応じて、絶縁保護具を着用する作業員により貫通穴や冷却用のエアコンダクトを通して電池パック内に水を充填し、電池を数時間かけて放電処理し、電池に蓄えられた電気エネルギを放出させ、不活性化させ、感電や発火などを防止している。その上で必要に応じて故障車両をレッカー車等で移動、搬送している。

ところで、特許文献１には、使用済みのペレット状のリチウム電池の放電を容易に行うため、塩水に電池を浸して外部短絡を行う方法が開示される。更に、特許文献２には産業車両に使用の防爆型電池の電池外箱に水タンクを併設しておき、緊急時に水タンクの水を電池外箱内に供給して、電気エネルギを放出させて危険の無い状態に保持する技術が提案される。

一方、特許文献３、４などでは、車両の衝突時の衝撃を検出手段が検知し、機械的な短絡手段によって少なくとも２つの単電池同士を電槽内において短絡させて電池の持つ電気エネルギを放出させ、外部への電力供給を不可能とし、感電や外部回路に補機等が接触した際の破損を防止する方法が提案されている。

特開２０１０−２７７７３７号公報 特開昭５９−７９９６４号公報 特開平９−２８４９０４号公報 特開２００３−１８９４１５号公報

しかし、特許文献１の技術は車載の電池パック内の駆動用電池の電気エネルギ放出処理には不適当であり、特許文献２では常時水タンクを配備する構成を採るため、車両には不適当の構成である。更に、特許文献３、４の電池の放電処理装置は、車両の電池パック内の電池に蓄えられた電気エネルギを放出させ、不活性化させる処理に適用可能であるが、これらの手法では、機械的な操作を行うことにより外部短絡を行わせる必要がある。このため、ここで用いる電気エネルギを放出させる機構が車両の衝突時等の異常事態の発生時に衝撃で壊れた場合には、電気エネルギの放出機能を発揮できない恐れがある。また、外部短絡が行われても、これにより発生した熱を効率よく逃がす方法が無いため、想定以上の大電流が流れた場合は電池の発火に至る恐れがある。

これに対し、異常事態にある車両の電池パック内に外部から注水を行うことで、電池を冷却させると同時に、電池パック内の水で電池を外部短絡させ、電池に蓄えられたエネルギを放出することが可能である。しかし、水道水を用いた場合、その電気伝導度が低いため、電池パック内を完全に水道水で満たしたとしても、電気エネルギが完全に放出されるには、長時間を要するため、その間に事故処理作業者が感電に対する配慮を十分に行う必要があり、作業に手間取る可能性がある。
一方、放電時間の短縮のために、直接、電池パックに電気伝導度の高い塩水を注入することも可能ではあるが、交通事故など、突発的な状況での塩の準備や塩水の濃度調整は容易ではない。また、直接、塩水を注入した場合、パック内に十分な量の水が溜まる前に、直接、端子に塩水が触れて短絡し、その発熱により発火の可能性もあり、適用には問題がある。

本発明は、車両の異常事態の発生時等に、電池パックに水を注入することで、電池パックに設けておいた電解質物質によりその水を電気導電性のよい電解質水溶液に変え、これにより高熱化を抑え、電池を速やかに放電させることができるようにした電池のエネルギ放出装置を提供することにある。

前記課題を達成するため、請求項１に係る発明は、車両駆動用の電池を収容する電池パック内または電池パックに接続する注水経路内に電解質物質が設けられることを特徴とする。

請求項１記載の電池のエネルギ放出装置において、前記電池の上方に端子電極があり、前記電解質物質の電池パックの下面からの高さ位置は、前記電池が所定の水没高さを確保してから水に溶解するような位置に設定されることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の電池のエネルギ放出装置において、前記電池パックに設けた前記注水経路の注水口と前記電解質物質の設置位置との間に前記電池が配置されることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請請求項１又は２に記載の電池のエネルギ放出装置において、前記電解質物質は前記電池パックの半分の高さより上方に設けられることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の電池のエネルギ放出装置において、前記電解質物質は端子電極よりも上方に設けられることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電池パックまたは注水経路に電解質物質が設けられているので、緊急時に注水経路を通して電池パックに水を注入することにより電池パックに滞留する水に電解質が溶解し、電池パック内を電解質水溶液で満し、これにより、水を電気導電性のよい電解質水溶液に変え、これが放電効率よく電池を放電させることができる。

請求項１の発明によれば、電池パック内の電池が所定の水没高さを確保してから電解質物質が水に溶解するので、つまり、一定以上の電池冷却性能を確保してから塩が水に溶解して電解質水溶液となるので、電池の端子電極に電解質水溶液が触れる時点で電池の冷却性を確保しており、電池が過度に発熱するような事態を防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、注水口に対して電池を挟み注水口と対向する側に電解質物質の設置位置が確保されるので、注水開始してからすぐに水の飛沫により電解質物質が溶解し、電池パック内に十分な水が溜まる前に電池の端子電極に電解質水溶液が触れる可能性を排除でき、注水直後に端子電極に電解質水溶液が触れて発熱が生じるという事態の発生を低減できる。

請求項３の発明によれば、電池パック内に半分の高さまで水を満たす時点で、温度の上昇しやすい電池の中央部に対する冷却性能を十分に確保したことを確認でき、更に、その後、電池パックの半分を上回る水が満たされることで電解質物質が溶解を開始することを確認でき、その後の駆動用電池の発熱を抑制できることが確認された上で冷却水の注入を安全に行うことができる。

請求項４の発明によれば、電解質物質が端子電極よりも上方に設けられるので、注水によって端子電極まで水が浸ってから電解質物質が溶解するので、端子電極に電解質水溶液が触れて直ちに発熱するような事態を確実に防ぐことができる。

本発明の電池のエネルギ放出装置を備える車両の要部概略側面図である。 図１の車両に搭載の電池パックの要部拡大平面図である。 図１の車両のフロア及び電池パックの要部拡大側断面図である。 図２中の電池パック内の電源端子及び開閉器の要部切欠側面図である。 図２中の電池パック内の電源端子及び開閉器の要部切欠平面図である。 図１の電池のエネルギ放出装置の機能説明図で、（ａ）は注水開始時を、（ｂ）は注水途中を、（ｃ）は注水が完了してエネルギ放出する状態を示す。 図１の電池のエネルギ放出装置で用いる電解質物質の収容部で、（ａ）はその拡大正面図、（ｂ）は変形例の側断面図を示す。 図７の電解質物質の収容部に代えて用いられる収容部の変形例で、（ａ）は第２実施形態を、（ｂ）は第３実施形態を、（ｃ）は第４実施形態を示す。 第５実施形態の電解質物質の収容部の配置説明図である。

以下、本発明の第１実施形態である電池のエネルギ放出装置について説明する。
本発明の電池のエネルギ放出装置は、図１に示すように、車両Ｃに搭載される。
ここで、車両Ｃを概略説明する。車両Ｃはモータのみで走行する電気自動車（ＥＶ）であるが、これに代えて、駆動源としてモータと内燃機関を併用するＰＨＶあるいは、燃料電池で駆動するモータなどを用いる車両等であっても良い。
図１に示す車両Ｃは車室Ｒの前方に前収容室ＦＲを備え、ここには動力源として用いる電動回転機（モータジェネレータ）１と、その電動回転機への電力を調整する電力変換機１０と、車両Ｃの車輪２に連結された不図示の駆動装置（パワートレイン）と、電動回転機１や電力変換機１０を駆動制御する電力制御装置（ＭＣＵ）３及び車両の車両制御装置（ＰＣＵ）４とが配備される。一方、車室Ｒのフロア１２の下部には駆動用電池８を収容する電池パック５が搭載される。

図１に示すように、車両Ｃの電動回転機１は、電池パック５の駆動用電池８と高電圧ケーブル１１を通し、電力変換機１０を介して接続される。高電圧ケーブル１１の途中の電力変換機１０は電力制御装置３に制御され、電池８と電動回転機１との電力のやり取りを制御する。
図１に示すように、車室Ｒのフロア１２の直下に駆動用電池８を収容する電池パック５が配備される。電池パック５は、図１，２に示すように、車体の前後方向Ｘに並列配備された左右サイドメンバ１７と、これらの間に配設される前後クロスメンバ１８，１９とにより支持され、複数の締結金具１３で各対向するメンバ側に締結されている。

図２、３に示すように、扁平箱状のバッテリケース５０は上下半部５０１，５０２を一体的に重ねて形成される。上下半部５０１，５０２はそれぞれ電気絶縁性を有する樹脂によって一体成形される。特に、下半部５０２には複数の敷居板５０３（図２参照）が内部に突設され、これによりそのパック内室（バッテリ収納部）１５を複数の電池セル収容域５２（図２の２点鎖線）に区分けして電池セルの位置ずれを防止し、下半部５０２の補強を行っている。
上下半部５０１，５０２の材料である樹脂は、例えばポリプロピレンからなる基材を、短ガラス繊維によって強化したものである。これら上下半部５０１，５０２は互いの重合フランジ部５０４，５０５を互いに不図示のボルトで締結し、扁平箱状の筐体として形成される。なお、駆動用電池８を成す複数の電池セル８０１は、例えば、直列に接続され、不図示の電気回路を介して、図４，５に示す電源側端子部材２１，２２及び開閉器６０に接続されている。

開閉器６０の直上位置にあたる上半部５０１には、開閉器操作用の上向き開口５０６（図２参照）と不図示のエアコンの吐出路に接続された冷却風導入口５０７が形成され、更に、冷却風導入口５０７とは左右反対側に不図示のエアコンの吸入路に接続される排出側のエアーダクト６３が取り付けられている。
図４に示すように、上向き開口５０６とフロア１側の作業穴である常閉口１０１とは縦向きの弾性筒体６０で連結される。冷却風導入口５０７は不図示のエアコンの吐出路に吸入側ダクト６４を介して連通している。
図５に示すように、電池パック５の一側である車体前方に向いた前壁部１５１には２つのケーブル導入穴２７，２８が形成される。ここに各高電圧ケーブル１１が挿通され、各ケーブルはそれに一体的に取り付けられるターミナルホルダ２３１を用いて前壁部１５１に締結されている。

電池パック５のパック内室１５には、図２に示すように、複数の電池セル８０１が収容され、各電池セル８０１はパック内の不図示の接続回路を介し高電圧端子である電源側端子部材２１，２２（図５参照）に接続される。
図４、５に示すように、電源側端子部材２１，２２は支持枠５０９上に相互に絶縁状態で固定され、その先端である図４、５で左側端部には、電動回転機１側の電力制御装置３から延びる高電圧ケーブル１１の先端のケーブル側接続端子２５，２６が締結されている。

ここで、一対の電源側端子部材２１，２２は、図４に示すように、支持枠５０９を介してバッテリケース５０の下半部５０２にそれぞれ絶縁材５１０を介して支持される。図４、５に示すように、その一対の電源側端子部材２１，２２は、長手方向で２分割され、ケーブル側片部２１１，２２１と電池側片部２２１，２２２とに分割され、その分割部に開閉器６０が配備される。
ケーブル側片部２１１，２２１には高電圧ケーブル１１がボルトで締結され、電池側片部２２１，２２２には複数個の電池セル８０２を直列に接続した不図示の電気回路の端部ｋが重ねられ、ボルト締結されている。

一方のケーブル側接続片２１１，２２１と他方の電池側片部２２１，２２２は互いの対向端が上向きに屈曲されて各一対の接続片部ｓ１、ｓ２を形成する。これら各一対の接続片部ｓ１、ｓ２間が開閉器６０の一対の差込プラグ６０１，６０１により断続可能に接続される。
一対の差込プラグ６０１，６０１は絶縁性の差込ブラケット６０２に一体結合され、この差込ブラケット６０２の左右側壁部にコ字形のハンドル６０３が同一中心線Ｌ１を有するピン６０４を介し揺動可能に連結される。これによりハンドル６０３を定常時は待機位置ｐ１に、使用時は立て向きの使用位置ｐ２に揺動して抜き出し操作可能に取り付けられている。これら一対の差込プラグ６０１，６０１と差込ブラケット６０２とハンドル６０３とが開閉器６０を成している。

このような構成の差込プラグ６０や駆動用電池８を収容する電池パック５は、図２，３に示すように、その上半部５０１の内壁であって、上向き開口５０６や排気側のエアーダクト６４とは駆動用電池８を挟んで反対側に電解質物質の設置位置Ｐ１を設定する。その設置位置Ｐ１には電解質物質収容器７０が取り付けられている。
図７（ａ）に示すように、電解質物質収容器（以後単に収容器と記す）７０は例えば水の浸入を容易化するスリット７０１を多数有する膨出ポケット状の容器でよく、この収容器７０内に電解質物質Ｍを収容した上で、この収容器８０の周縁フランジ７０２を上半部５０１の内壁ｗｕに接着している。なお、図７（ｂ）に示すように、接着に代えて周縁フランジ７０２を内壁ｗｕに形成するビス固定ボスｗｕｂにねじ止めしても良く、その他の固定手段を用いても良い。

更に、電解質物質Ｍの水溶性にも適切な範囲があり、水溶性が低すぎる電解質物質Ｍでは、本発明の要求を満たさないし、また、水溶性の高すぎる電解質物質Ｍは潮解の恐れがあり、これらを避けることのできる電解質物質Ｍが用いられることとなる。更に、水溶液の電解質濃度が高くなりすぎると、短時間で急激に外部短絡が行われ、電池が異常発熱を起こす恐れがあるため、収容器７０に配備する電解質物質Ｍの量は、異常発熱を起こす恐れのない程度の量に設定される。
ここでは、電解質物質Ｍとして塩化ナトリウムを用いている。ここで電解質物質Ｍを収容した収容器７０の設置位置Ｐ１は、電池パック５内である。この設置位置Ｐ１の電池パック５の下面からの高さ位置Ｈは、駆動用電池８が所定の水没高さ、例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、電池の発熱を抑制できる水没量、例えば各電池セル８０１の半分の高さｓｈ１以上が水没するような位置に設定される。

更に、電池パック５に設けた注水経路の注水口、ここでは，図２に示すような、上向き開口５０６や排出側のエアーダクト６３の電池パック５の開口６３１に対し、駆動用電池８を挟んで反対側に設置位置Ｐ１（図２参照）が配備される。即ち、エアーダクト６４の開口６４１と電解質物質Ｍの設置位置Ｐ１との間に駆動用電池８が配置されるよう構成される。
このような第１実施形態の電池のエネルギ放出装置を搭載する車両が走行中に、例えば、衝突事故を起こして車両が破損し、走行不能の非常事態に陥ったとする。
この場合、車両の乗員救助の後、感電を避けるため、フロア１の作業穴である常閉口１０１を開き、これにより弾性筒体６０で連結される開閉器操作用の上向き開口５０６を開き、直下の開閉器６０のハンドル６０３を待機位置ｐ１より使用位置ｐ２に揺動させ、その上でハンドル６０３に連結される差込プラグ６０１，６０１を引き上げて抜き取り、開閉器６０を外し、電池パック５の駆動用電池８と電動回転機１側の電力制御装置３から延びる高電圧ケーブル１１を遮断する。

この後、上向き開口５０６より、水道水を注入する。ここで車両の破損の状況に応じて、上向き開口５０６より、水道水を注入できない場合には、排出側のエアーダクト６４より、水道水を注入し、駆動用電池８の電気エネルギを放出させ、不活性化させ、感電や発火などを防止する。
ここで、上向き開口５０６やエアーダクト６４の何れかより、電池パック５内への注水が進むと、図６（ａ）の状態より（ｂ）の状態に達し、水面が上昇し、電池パック５内の半分の高さｓｈ１を上回るとする。この際、図３、図６（ｂ）に示すように、電解質物質の設置位置Ｐ１が電池パック５の半分の高さｓｈ１より上方に設けられるので、電池パック５内に半分の高さＨまで水を満たすことにより、温度の上昇しやすい駆動用電池８の各電池セル８０１のほぼ中央部の冷却性能を確保したものと見做すことができる。このため、継続して進む冷却水の注入を安全に行える。

その後、電池パック５の水面が電池パック５の半分の高さｓｈ１より上方に上昇を続けることで、電解質物質Ｍの設置位置Ｐ１が浸水し、電解質物質Ｍが溶解を開始すると判断できる。その後、駆動用電池８の発熱を抑制した状態で電解質水溶液が徐々に増加し、端子電極ｔが水没することで、安全に駆動用電池８の放電を促進し、比較的短時間に駆動用電池８に蓄えられている電気エネルギを放出させ、不活性化させ、感電や発火などを防止でき、この後の故障車両のレッカー車等での移動、搬送を安全に行える。

上述のところで、電池パック５内の駆動用電池８が所定の水没高さである電池パック５の半分の高さｓｈ１まで注水が進むと、電解質物質Ｍが水に溶解を開始するので、つまり、一定以上の電池冷却性能を確保してから電解質物質Ｍが水に溶解して電解質水溶液となるよう設定したので、駆動用電池８の上部側にある端子電極ｔに電解質水溶液が触れ放電が開始される時点では電池の冷却性を十分に確保しており、電池が過度に発熱するような事態を確実に防止でき、発火を防止できる。

更に、第１実施形態の電池のエネルギ放出装置では、電池パック５に設けた注水経路の注水口、ここでは上向き開口５０６、あるいは排出側のエアーダクト６３の電池パック５の開口６３１に対し、駆動用電池８を挟んで反対側に設置位置Ｐ１が配備され、即ち、エアーダクト６３の開口６３１と電解質物質Ｍの設置位置Ｐ１との間に駆動用電池８が配置されるような構成を採っている。
このように、注水口である上向き開口５０６、あるいは開口６４１に対して、電池を挟み対向する側に設置位置Ｐ１が確保されるので、注水を開始してからすぐに水が飛沫して電解質物質が溶解し、電池パック内に十分な水が溜まる前に駆動用電池８の端子電極に電解質水溶液が触れる可能性を排除できる。これにより、注水直後に端子電極ｔに電解質水溶液が触れて発熱が生じるという事態の発生を低減できる。

上述のところでは、電解質物質Ｍの設置位置Ｐ１の電池パック５の下面からの高さ位置Ｈが、駆動用電池８の半分の高さｓｈ１までが水没するに相当する高さをわずかに上回る位置として設定されていたが、これに代えて、第２実施形態の電池のエネルギ放出装置として、例えば、図８（ａ）に示すように、電解質物質Ｍは、各電池セル８０１の端子電極ｔよりも所定量ｄ１上方に設けられるように設定しても良い。
この第２実施形態の電池のエネルギ放出装置によれば、駆動用電池８の中央部に対する冷却性能を十分に確保した上で、水が端子電極に水没してから電解質物質を溶解し、電解質水溶液が端子電極に触れることとなるので、端子電極に電解質水溶液が直接触れて直ちに発熱し、発火するような事態をより確実に防ぐことができ、安全性をより高めることができる。

上述のところでは、電解質物質Ｍは設置位置Ｐ１に収容器７０を用いて取り付けられていたが、変形例として、水溶性のオブラートに電解質物質Ｍを包み収容器７０に保持しておき、水面が設置位置Ｐ１に達すると、溶解して電解質物質Ｍを落下させるように構成しても良い。この場合、速やかに、電解質水溶液を形成できる利点がある。
次に、第３実施形態の電池のエネルギ放出装置として、図８（ｂ）に示すように、電解質物質Ｍを含むシート９０をそのまま接着剤９０１で内壁ｗｕに貼り付け、水面が設置位置Ｐ１に達すると、電解質物質Ｍを溶解して電解質水溶液を形成しても良い。更に、第４実施形態の電池のエネルギ放出装置によれば、図８（ｃ）に示すように、電解質物質Ｍを含む塗料９１を上半部５０１の内壁ｗｕに塗布しておき、水面が設置位置Ｐ１に達すると、塗料９１中より電解質物質Ｍを溶融させ、電解質水溶液を形成しても良い。これら第３、第４実施形態によれば、電解質物質Ｍの設置を低コストで行うことができる。

更に、電池パック５の内壁ｗｕ上であって、注水時に勢い良く水が入ったときにのみ水がかかる場所を設置位置Ｐ１として、そこに電解質物質を配置しても良く、この場合、電解質物質の溶融の程度を水の注入の程度加減により調整できる。
更に、電解質物質を設ける設置位置Ｐ１としては、電池冷却時に結露が発生する場所は避け、これにより、定常時に電解質物質が溶融して電池パック５の下壁側に滞留することを防止できる。

上述のとことで、電解質物質Ｍの設置位置Ｐ１は電池パック５内に設けるとして説明したが、これに代えて、第５実施形態の電池のエネルギ放出装置として、図９に示すように、電池パック５に接続する注水経路、例えば、緊急時に比較的確保しやすい、排出側のエアーダクト６３に予め電解質物質Ｍを備えた収容器７０が設けられても良い。この場合、排出側のエアーダクト６３内への注水時に電解質物質Ｍが水に溶融し、注水されるものが電解質水溶液となった上で電池パック５に供給されるので、比較的短時間で駆動用電池８に蓄えられている電気エネルギを放出させることが要求される場合に有効である。

１ フロア
Ｃ 車両
５ 電池パック
８ 駆動用電池
６３ 排出側のエアーダクト（注水経路）
６４ 給入側エアーダクト（注水経路）
７０ 収容器
ｓｈ１ 電池セルの半分の高さ
Ｈ 高さ位置
Ｍ 電解質物質
Ｐ１ 電解質物質を設ける設置位置

Claims (4)

1. 車両駆動用の電池を収容する電池パック内または電池パックに接続する注水経路内に電解質物質が設けられ、前記電池の上方に端子電極があり、前記電解質物質の電池パックの下面からの高さ位置は、前記電池が所定の水没高さを確保してから水に溶解するような位置に設定されることを特徴とする電池のエネルギ放出装置。
2. 請求項１記載の電池のエネルギ放出装置において、
   前記電池パックに設けた前記注水経路の注水口と前記電解質物質の設置位置との間に前記電池が配置されることを特徴とする電池のエネルギ放出装置。
3. 請求項１又は２記載の電池のエネルギ放出装置において、
   前記電解質物質は前記電池パックの半分の高さより上方に設けられることを特徴とする電池のエネルギ放出装置。
4. 請求項１又は２に記載の電池のエネルギ放出装置において、
   前記電解質物質は前記端子電極よりも上方に設けられることを特徴とする電池のエネルギ放出装置。

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