JP2018006043A - バッテリシステム及びバッテリシステムを備える電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造としながら、全体の高さを低くして、狭いスペースに設置する。【解決手段】バッテリシステムは、厚さよりも幅が広く形成されたカバーケース２に、充放電できる複数の電池セル１を収納してなる複数の電池ユニット３と、複数の電池ユニット３が表面に配置されると共に、内部に熱交換液が循環されて電池セル１を冷却又は加温する熱交換プレート４と、この熱交換プレート４に循環路６を介して連結されて、熱交換プレート４に、冷却又は加温された熱交換液を循環させる熱交換機構５とを備えており、熱交換プレート４を略水平姿勢で配置すると共に、電池ユニット３の側面のうち、最大面である主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に対向して配置して、主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に面接触状態で熱結合させている。【選択図】図１

Description

本発明は、主としてハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車等の自動車を駆動するモータの電源用等に使用されるバッテリシステムとこのバッテリシステムを備える電動車両に関し、とくに、全体の高さを低くして、狭いスペースに収納可能なバッテリシステムとこのバッテリシステムを備える電動車両に関する。

近年、ハイブリッドカーや電気自動車の動力用の電源として、複数の電池セルを備えたバッテリシステムが搭載された電動車両が普及している。また、太陽電池等の発電装置と組み合わせた蓄電システムに用いられ、発電装置が発電した電力を蓄えるためのバッテリシステムなども知られている。この種のバッテリシステムにおいては、電池容量、電池出力の性能を維持しながらの省スペース化が求められており、このため、装置全体の高さが低く、隙間に設置可能な電源装置の開発が進められている。

従来の電源装置は、多数の角形電池を水平方向に積層する状態で並べた電池積層体からなる電池ブロックを形成して電動車両に搭載している。このように、角形電池を起立姿勢で積層する構造の電池ブロックを備える電源装置は、装置全体の高さが高くなり、その搭載位置に制約を受けてしまう問題点があった。

特開２０１２−９４３７６号公報

本発明は、斯かる状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一は、簡単な構造としながら、全体の高さを低くして、狭いスペースに設置可能なバッテリシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のある態様のバッテリシステムは、厚さよりも幅が広く形成されたカバーケース２に、充放電できる複数の電池セル１を収納してなる複数の電池ユニット３と、複数の電池ユニット３が表面に配置されると共に、内部に熱交換液が循環されて電池セル１を冷却又は加温する熱交換プレート４と、この熱交換プレート４に循環路６を介して連結されて、熱交換プレート４に、冷却又は加温された熱交換液を循環させる熱交換機構５とを備えており、熱交換プレート４を略水平姿勢で配置すると共に、電池ユニット３の側面のうち、最大面である主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に対向して配置して、主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に面接触状態で熱結合させている。

上記構成によれば、略水平姿勢で配置された熱交換プレートの表面に電池ユニットの主面を面接触状態で配置することで、全体の高さを低くできる。このように、全体の高さを低くできるバッテリシステムは、高さに制約を受ける狭い場所であっても省スペースに収納できる。また、電池ユニットの側面のうち最大面である主面を熱交換プレートの表面に面接触状態で熱結合させることで、熱交換プレートと電池ユニットとの熱伝導を効率よくして、カバーケースに収納される複数の電池セルを効果的に冷却又は加温して電池の温度環境を最適な状態にコントロールできる。

また、本発明のバッテリシステムは、複数の電池ユニット３を熱交換プレート４の両面に対向して配置することができる。

上記構成により、水平姿勢で配置される熱交換プレートの両面に電池ユニットを配置することで、多数の電池ユニットを省スペースに効率よく熱交換プレートに熱結合させて、多数の電池セルを速やかに冷却又は加温できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、カバーケース２を、金属製で有底の筒状または両端開口の筒状とすることができる。

上記構成により、カバーケースを金属製として有底の筒状または両端開口の筒状とすることで、金属製のカバーケースの側面を熱交換プレートに結合させて、カバーケースに収納される複数の電池セルを効率よく熱交換できる。また、筒状のカバーケースとすることで、複数の電池セルを位置決めしながら内部に収納できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、電池セル１をラミネート電池１Ａ、１Ｂとして、複数のラミネート電池１Ａ、１Ｂを厚さ方向に積層してカバーケース２に収納することができる。

上記構成により、ラミネート電池を厚さ方向に積層してカバーケースに収納することで、薄くて表面積の大きなラミネート電池を効率よく熱交換プレートの表面に配置しながら、広い面を熱結合面として、この面からの放熱特性を向上して、充放電におけるセル全体の温度上昇を効果的に低く抑えることができる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、熱交換プレート４が熱交換液を循環させる熱交換パイプ３１を内部に備え、熱交換パイプ３１を循環路６を介して熱交換機構５に連結し、熱交換プレート４は、熱交換パイプ３１の両端部を連結端部３２として熱交換プレート４から外部に引き出すと共に、連結端部３２の先端部を下方に折曲又は湾曲して循環路６に連結することができる。

上記構成により、熱交換プレートの内部に配置された熱交換パイプの引き出し部分である連結端部と循環路との連結部分において、熱交換液の液漏れが生じた場合においても、連結端部の先端部を下方に折曲又は湾曲することで循漏れ液が熱交換プレート側に流れるのを防止して、漏れ液によるショート等の弊害を有効に防止できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、複数の電池ユニット３と熱交換プレート４とを収納する外装ケース７を備えて、この外装ケース７が、熱交換プレート４を水平姿勢で収納する上方開口の本体ケース２０と、この本体ケース２０の開口部を閉塞する蓋体２１とを備えて、本体ケース２０と蓋体２１とを水密に閉塞することができる。

上記構成により、複数の電池ユニットと熱交換プレートとを水平姿勢で収納する外装ケースを備えて、この外装ケースを上方開口の本体ケースと蓋体とで構成すると共に、本体ケースと蓋体とを水密に閉塞することで、外部からの浸水を確実に防止しながら電池セルを保護できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、複数の電池ユニット３と熱交換プレート４とを収納する外装ケース７を備えて、外装ケース７の内面にクッション材８を積層して、クッション材８を介して電池ユニット３を熱交換プレート４に押圧することができる。

上記構成により、熱交換プレートの表面に配置される電池ユニットの主面を外装ケースの内面に積層されたクッション材を介して押圧することで、振動や衝撃から電池ユニットを保護しながら、電池ユニットを熱交換プレートに押圧させることで確実に熱結合できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、複数の電池ユニット３と熱交換プレート４とを収納する外装ケース７を備えて、複数の電池ユニット３をリード部材１４を介して直列又は／及び並列に接続すると共に、互いに接続された複数の電池ユニット３の出力を外部に出力するためのジャンクションボックス１５を外装ケース７に収納しており、ジャンクションボックス１５は、互いに接続された複数の電池ユニット３の出力側が接続される入力端子１７を熱交換プレート４よりも上方に配置することができる。

上記構成により、互いに接続された複数の電池ユニットの出力側を、外装ケースに収納されるジャンクションボックスに接続すると共に、複数の電池ユニットの出力側が接続される入力端子を熱交換プレートの上方に配置することで、熱交換液の液漏れや熱交換プレート表面に結露が生じた場合においても、これらの漏れ液や結露水に起因する入力端子部分におけるショートや漏電等の弊害を確実に防止できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、熱交換機構５が熱交換液を冷却する冷却器３４を備え、熱交換プレート４に、冷却された熱交換液を循環させて複数の電池セル１を冷却することができる。

上記構成により、熱交換プレートに、冷却された熱交換液を循環させることで、使用状態で発熱する電池セルを、熱交換液で冷却される熱交換プレートで効果的に冷却して電池セルを保護できる。

さらに、本発明のバッテリシステムは、電池ユニット３が外部接続するための出力端子１３を備えて、複数の電池ユニット３をリード部材１４を介して互いに接続すると共に、熱交換プレート４の表面であって出力端子１３と対向する位置に断熱シート９を配設することができる。

上記構成により、冷却された熱交換液で熱交換プレートが冷却される状態となっても、出力端子と対向する熱交換プレートの表面に断熱シートを配置することで、出力端子部分やその周辺が冷やされてこの部分に結露が発生するのを有効に防止して、出力端子部分におけるショートや漏電等の弊害を有効に防止できる。

さらにまた、本発明のバッテリシステムは、熱交換機構５が熱交換液を加温する加温器３５を備え、熱交換プレート４に、加温された熱交換液を循環させて複数の電池セル１を加温することができる。

上記構成により、バッテリシステムを寒冷地や冬期に使用する際、とくに、使用開始時において、熱交換プレートに加温された熱交換液を循環させて電池セルを加温することで、電池セルの温度が低温になることに起因する電池性能の低下を有効に防止して、電池セルを保護しながら使用できる。

本発明の電動車両は、以上のいずれかに記載のバッテリシステムを備える電動車両であって、バッテリシステム１００が車両を走行させるモータ９３に電力を供給するようにしている。

本発明の電動車両は、バッテリシステム１００を車両本体９１の底部に配置することができる。
以上の電動車両は、全体の高さを低くできるバッテリシステムを車体本体の底部に配置することで、電動車両の狭いスペースを有効に利用しながらバッテリシステムを省スペースに配置できる。

本発明の一実施形態にかかるバッテリシステムの概略垂直断面図である。 図１に示すバッテリシステムの概略水平断面図である。 図１に示すバッテリシステムの電池集合体を示す斜視図である。 図１に示すバッテリシステムの熱交換プレートを示す斜視図である。 電池ユニットの一例を示す分解斜視図である。 図５に示す電池ユニットを熱交換プレートに積層する状態を示す拡大断面図である。 他の構造の電池ユニットを熱交換プレートに積層する状態を示す拡大断面図である。 電池ユニットの他の一例を示す底面斜視図である。 電池ユニットの他の一例を示す分解斜視図である。 図１に示すバッテリシステムを車両に搭載する一例を示す概略断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド自動車にバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

（実施例１）
本発明の一実施形態にかかるバッテリシステムを図１〜図６に示す。図１はバッテリシステム１００の概略垂直断面図を、図２はバッテリシステム１００の概略水平断面図を、図３は複数の電池ユニット３を熱交換プレート４に配置した電池集合体１０の斜視図を、図４は熱交換プレート４の斜視図を、図５は電池ユニット３の分解斜視図を、図６は電池ユニット３を熱交換プレート４に熱結合させた状態を示す拡大断面図をそれぞれ示している。これらの図に示すバッテリシステム１００は、充放電できる複数の電池セル１をカバーケース２に収納してなる複数の電池ユニット３と、複数の電池ユニット３が表面に配置されると共に、内部に熱交換液が循環されて電池セル１を冷却又は加温する熱交換プレート４と、この熱交換プレート４に循環路６を介して連結されて、熱交換プレート４に、冷却又は加温された熱交換液を循環させる熱交換機構５とを備えている。さらに、図に示すバッテリシステム１００は、複数の電池ユニット３を熱交換プレート４の表面に配置して電池集合体１０を構成すると共に、この電池集合体１０を収納する外装ケース７を備えている。

図１に示すバッテリシステム１００は、全体の高さを低くするために、外装ケース７に収納される熱交換プレート４を略水平姿勢で配置している。さらに、バッテリシステム１００は、電池ユニット３の側面のうち、最大面である主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に対向して、すなわち、横倒しの姿勢で配置している。さらに、バッテリシステム１００は、熱交換プレート４に配置される複数の電池ユニット３の主面３Ｘを熱交換プレート４の表面に面接触状態で熱結合させることにより、熱交換プレート４と電池ユニット３との間での熱交換を効率よく行えるようにしている。

（電池セル１）
電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルは、リチウムイオン二次電池には特定されず、ニッケル水素電池などの充電できる全ての電池とすることができる。さらに、電池セルは、好ましくは、薄型の二次電池であって平面視を矩形状とする電池セル１とすることができる。この形状の電池セル１は、図５と図６に示すように、複数枚を厚さ方向に積層すると共に、これらの積層体をカバーケース２に収納して電池ユニット３Ａとすることができる。

図５に示す電池セル１は、ラミネート電池１Ａとしている。ラミネート電池１Ａは、正極と負極とをセパレータを挟んで交互に重ねた電極体（図示せず）を外装フィルム１１で封止した構造としている。ラミネート電池１Ａは、電極体の両側に外装フィルム１１を配置し、電極体の外側で外装フィルム１１を積層し、接着して、電極体を外装フィルム１１で封止している。外装フィルム１１は、たとえば、アルミニウム箔の両面に絶縁性のプラスチックフィルムを積層したものが使用できる。ラミネート電池１Ａは、リチウムポリマー電池である。ただ、本発明は、ラミネート電池１Ａをリチウムポリマー電池には特定しない。ラミネート電池は、充放電できる全てのラミネート電池とすることもできる。

図５のラミネート電池１Ａは、外形を長方形としており、長方形の１辺で外装フィルム１１を折返し、両側の２辺と、出力タブ１２が引き出される先端側の端縁部とを外装フィルム１１の積層接着部１１ａとして、内部に電極体を配置して密閉している。この構造のラミネート電池１Ａは、電極体の１辺に沿って外装フィルム１１を折り返すので、電極体の両側と出力タブ１２を引き出している端縁部に積層接着部１１ａを設けている。

図５に示すラミネート電池１Ａは、正負の出力タブ１２を、２枚の外装フィルム１１で挟んで外部に引き出している。正負の出力タブ１２は薄い金属板で、外装フィルム１１の内部で正負の電極に接続している。正負の出力タブ１２は、ラミネート電池１Ａの一端部であって、外装フィルム１１の積層接着部１１ａから突出する状態で引き出されて、両面を露出させている。

以上のラミネート電池１Ａは、長方形の１辺で外装フィルム１１を折返して、３辺に積層接着部１１ａを設けているが、ラミネート電池は、４辺の外周に積層接着部を設ける構造とすることもできる。このラミネート電池は、図示しないが、電極体の両面に分離された２枚の外装フィルムを重ね、電極体の周囲の４辺の積層接着部で結合して製作される。このラミネート電池は、４辺の外周部に積層接着部を設けるので、電極体から引き出される正負の電極タブを、図７に示すように、長方形の対向位置である両端部に配置することもできる。

さらに、電池セルには、ラミネート電池に代わって、薄型の角形電池を使用することもできる。この電池セルは、図示しないが、厚さよりも幅が広い、有底で筒状の角形の外装缶に正負の電極板を積層している電極体を収納して電解液を充填して気密に密閉したものである。外装缶は、開口部を封口板で気密に閉塞しており、封口板には正負の電極端子を絶縁して固定している。薄型の角形電池である電池セルも、複数を積層する状態でカバーケースに収納して電池ユニットを所定の厚さとすることができる。この電池ユニットも、互いに積層される複数の電池セルの電極端子を金属板等で接続して、出力端子が形成される。

（カバーケース２）
カバーケース２は、厚さよりも幅が広く形成されており、図５と図６に示すように、薄型の電池セル１を複数枚積層する状態で収納できる形状としている。このカバーケース２Ａは、好ましくは、軽量であって熱伝導に優れた金属板を所定の形状に形成して製造される。図に示すカバーケース２Ａは、金属板を有底の筒状に成形している。この形状のカバーケース２Ａは、互いに積層された複数の電池セル１を開口部２ａから挿入すると共に、先端が底板２ｂに当接するまで挿入することで、複数の電池セル１を位置決めしながら効率よく収納できる。また、カバーケース２Ａを、厚さよりも幅の広い外形とすることで、カバーケース２Ａの最大面を主面３Ｘとして熱交換プレート４に面接触状態で配置して効率よく熱結合できる。

ただ、カバーケースは、必ずしも有底の筒状に成形する必要はなく、図７に示すように、底のない筒状とすることもできる。このカバーケース２Ｂは、金属板を筒状に形成して、積層された複数の電池セル１を収納可能な形状としている。この構造のカバーケース２Ｂも、厚さよりも幅の広い外形とすることで、カバーケース２Ｂの最大面を主面３Ｘとして熱交換プレート４に面接触状態で配置して効率よく熱結合できる。また、カバーケース２Ｂを底のない筒状として複数の電池セル１を収納する電池ユニット３Ｂは、図７に示すように、両端に出力リブ１２を備えるラミネート電池１Ｂからなる電池セル１を収納した状態で、筒状のカバーケース２Ｂの両端の開口部２ａから一対の出力リブ１２をそれぞれ外部に引き出しできる特徴がある。この構造は、積層される複数のラミネート電池１Ｂを互いに並列に接続しながら、正負の出力リブ１２をカバーケース２Ｂの両端方向に引き出して接続できる。

さらに、カバーケースは、必ずしも金属板で形成する必要はない。カバーケースは、複数の電池セルの集合体を被覆する状態で位置決めして、熱交換プレートへの熱結合を可能とする他のすべての構造が採用できる。たとえば、積層された複数の電池セルの周囲を熱伝導性を有するシート材で巻回してカバーケースとすることもできる。したがって、本明細書においてカバーケースとは、複数の電池セルの集合体の周囲を被覆して一体的に結合しながら、被覆される電池セルを熱交換プレートに熱結合できる他の全ての構造とすることができる。

（電池ユニット３）
電池ユニット３は、図５と図６に示すように、充放電できる複数の電池セル１を備えており、これらの電池セル１をカバーケース２に収納している。複数の電池セル１が収納されるカバーケース２は、厚さよりも幅が広く形成されている。電池ユニット３は、側面の最大面である主面３Ｘが熱交換プレート４に対向する姿勢であって、熱交換プレート４の表面に面接触状態で配置されるようにしている。

電池ユニット３を構成する複数の電池セル１は、互いに積層されてカバーケース２に収納される。電池ユニット３を構成する電池セル１の個数、言い換えるとカバーケース２に収納される電池セル１の個数は、電池セル１の厚さとカバーケース２の厚さにより特定される。また、電池ユニット３を構成する電池セル１の個数は、各電池ユニット３に要求される容量等によっても決定される。したがって、電池ユニット３は、要求される容量に応じて電池セル１の個数が決定され、これらの電池セル１を収納できるようにカバーケース２の厚さが決定される。

ここで、図５に示す電池ユニット３Ａは、４個のラミネート電池１Ａを互いに積層する状態でカバーケース２Ａに収納している。４個のラミネート電池１Ａは、２個ずつを互いに並列に接続すると共に、並列接続された２個同士を互いに直列に接続して、４個を２直２並に接続している。図に示す電池ユニット３Ａは、上下に積層される４個のうち、上側の２個のラミネート電池１Ａに対して、下側の２個のラミネート電池１Ａを反転した姿勢としている。この状態で上下の２個ずつのラミネート電池１Ａの同じ極性の出力タブ１２を接続して互いに並列に接続しながら、互いに並列接続された２個ずつを、極性の異なる出力タブ１２で接続して直列に接続している。直列接続されたラミネート電池１Ａの両端に位置する出力側の出力タブ１２の間には、絶縁シート１６を配置して絶縁している。以上の構造は、４個のラミネート電池１Ａを簡単に２直２並に接続できる。ただ、複数の電池セルの接続方法は以上に特定しない。電池ユニットを構成する複数の電池セルは、全てを並列に接続することも、全てを直列に接続することもできる。

さらに、図５と図６に示す電池ユニット３Ａは、ラミネート電池１Ａの一端から正負の出力タブ１２が引き出されており、これ等の出力タブ１２を連結して電池ユニット３Ａの出力端子１３としている。互いに積層されて連結されるラミネート電池１Ａの出力タブ１２は、ハンダ付けやスポット溶接などの方法で互いに接続される。複数のラミネート電池１Ａは、対向する出力タブ１２が互いに接続されることで所定の状態に接続されて、電池ユニット３の出力端子１３が形成される。なお、図５と図６に示す電池ユニット３Ａにおいては、２直２並に接続された正負の出力端子１３が上下に配置されており、これらの間に絶縁シート１６を配置しているが、図２および図３においては、複数の電池ユニット３の接続状態をわかりやすくするために、各電池ユニット３の正負の出力端子１３は左右に離して表示している。

カバーケース２に収納された複数の電池セル１は、カバーケース２を介して熱交換プレート４に熱結合されて、熱交換プレート４に循環される熱交換液を介して冷却または加温される。電池ユニット３は、主面３Ｘが熱交換プレート４の表面に面接触する状態で定位置に固定される。複数の電池ユニット３は、主面３Ｘを接着剤や粘着テープを介して熱交換プレート４の定位置に熱結合状態で固定される。

さらに、図８は、カバーケースの他の例であって、筒状で有底のカバーケースから熱交換プレート側の側面を除去した形状のカバーケース２Ｃの一例を示している。このカバーケース２Ｃは、図５に示すカバーケース２Ａから、最大面である側面を除去して電池セル１を収納する凹部２ｃを開口すると共に、この凹部の開口縁に沿って外側に突出するフランジ部を設けている。このカバーケース２Ｃは、複数のラミネート電池１Ａを積層して凹部２ｃに収納する状態で、凹部２ｃから表出する電池セル１の側面を電池ユニット３Ｃの主面３Ｘとして熱交換プレート４側に対向して配置するようにしている。この構造の電池ユニット３Ｃは、カバーケース２Ｃから表出する電池セル１の表出面を直接に熱交換プレート４に面接触させることができるので、電池セル１を効率よく熱交換できる特徴がある。さらに、このカバーケース２Ｃは、凹部２ｃの開口縁から外側に突出するフランジ部２ｄを熱交換プレート４の表面に接触させることで、カバーケース２Ｃと熱交換プレート４との熱結合状態を良好にして、カバーケース２Ｃに収納される全ての電池セル１を効率よく熱交換できる。なお、このカバーケース２Ｃは、接着剤または粘着テープを介してフランジ部２ｄを熱交換プレート４の表面に接着することができる。

さらに、電池ユニット３Ｄは、図９に示すように、電池セル１を円筒形電池１Ｃとすることもできる。図に示す電池ユニット３Ｄは、２本の円筒型電池１Ｃを直線上に直列に接続すると共に、直列接続された２本ずつの円筒型電池１Ｃを隣接する円筒型電池１Ｃ間で互いに逆向きとして６組で１２本の円筒型電池１Ｃをリード部材１４を介して直列に接続している。この電池ユニット３Ｄは、直列接続された６組で１２本の電池セル１を集合体として筒状で有底のカバーケース２Ａに収納している。この電池ユニット３Ｄも、全体の厚さを厚くすることなく、正確には、円筒形電池１Ｃの太さにほぼ等しい厚さとしながら、複数の電池セル１をカバーケース２を介して冷却しながら使用できる。

（熱交換プレート４）
熱交換プレート４は、表面に配置される複数の電池ユニット３の主面３Ｘに熱結合状態で連結されて、カバーケース２に収納された各電池セル１を冷却または加温する。熱交換プレート４は、電池ユニット３が配置される平板状のプレート部３０の内部に、熱交換液を循環させる熱交換パイプ３１を内蔵している。熱交換プレート４は、熱交換パイプ３１の内部に循環される熱交換液により、プレート部３１が冷却または加温される。図６の熱交換プレート４は、アルミニウム製のプレート部３１にステンレス製の熱交換パイプ３１を埋設している。さらに、熱交換プレート４は、熱交換パイプ３１の両端部をプレート部３０の側面から突出させて、内部に熱交換液を流動させる連結端部３２としている。

熱交換プレート４は、図１に示すように、外装ケース７の内部に略水平姿勢で配置されて、表面に複数の電池ユニット３が配置される。水平姿勢で配置される熱交換プレート４は、一対の連結端部３２を１つの側面から水平方向に突出させている。ただ、熱交換プレート４は、電池集合体１０を構成する複数の電池ユニット３の配列等によって、一対の連結端部３２が熱交換プレート４から突出する位置を種々に変更することもできる。熱交換器は、例えば、一対の連結端部を対向する側面から突出させることも、隣り合う側面から突出させることもできる。

プレート部３０の側面から外部に引き出される一対の連結端部３２は、循環路６となる配管３３を介して外装ケース７の外部に引き出されて熱交換機構５に連結される。図１と図３に示す熱交換プレート４は、連結端部３２の先端部を水平方向から下方に向かって折曲または湾曲している。このように、先端部を水平方向から下向きに折曲又は湾曲して循環路６となる配管３３を連結することで、仮に、この連結部分から液漏れが発生しても、漏れ液が連結端部３２を伝って電池ユニット３側に流動するのを有効に防止でできる特徴がある。

連結端部３２に連結された循環路６である配管３３は、外装ケース７の上面側である蓋体２１を貫通して外部に引き出される。この配管３３と外装ケー７スの貫通部との間は、パッキンで水密構造に密閉される。したがって、この貫通部を通過して外部から内部への漏れ液や結露水の侵入を確実に阻止して、電池ユニット３への悪影響を防止できる。

以上の熱交換プレート４は、熱交換パイプ３１に循環される熱交換液で冷却または加温される。熱交換プレート３０は電池ユニット３に熱結合状態に配置されて電池セル１を冷却または加温する。このように、熱交換液を循環させる熱交換パイプ３１を内蔵する熱交換プレート４は、内部での液漏れを確実に阻止できる。また、熱交換パイプ３１をプレート部３０に埋設している熱交換プレート４は、熱交換パイプ３１とプレート部３０とが熱伝導に優れ、熱交換パイプ３１に循環される熱交換液で効率よくプレート部３０を冷却して、電池セル１を効率よく冷却できる。また、金属を板状に成形している熱交換プレート３０は熱容量が大きく、電池セル１の発熱を効率よく吸収して電池セル１の温度上昇を制限できる。また、熱交換液の循環を停止した後も、電池セル１を冷却することができる。ただ、本発明は、熱交換プレートの構造を以上の構造には特定しない。熱交換プレートは、たとえば、金属板の表面に熱交換パイプを固定する構造、あるいは２枚の金属板の間に熱交換パイプを配置する構造など、熱交換液を循環して表面を冷却できる全ての構造とすることができる。

（断熱シート９）
さらに、図１から図３に示す熱交換プレート４は、表面に固定される電池ユニット３の出力端子１３と対向する領域に断熱シート９を配置している。この構造は、冷却された熱交換液で熱交換プレート４が冷却される状態となっても、断熱シート９により出力端子１３と対向する領域やその周辺が冷やされて結露が発生するのが有効に防止される。このため、電池ユニット３の出力端子部分におけるショートや漏電等の弊害を有効に防止できる。

（電池集合体１０）
以上の熱交換プレート４は、表面に複数の電池ユニット３が配置されて電池集合体１０となる。図１に示す電池集合体１０は、熱交換プレート４の両面に複数の電池ユニット３を固定している。このように、熱交換プレート４の両面に電池ユニット３を配置する構造は、多数の電池ユニット３を省スペースに効率よく熱交換プレート４に熱結合させて、多数の電池セル１を速やかに冷却又は加温できる。ただ、熱交換プレート４は、片面のみに、たとえば、上面のみに複数の電池ユニット３を配置することもできる。この構造は、バッテリシステムの厚さを薄くできる。

電池集合体１０は、熱交換プレート４の表面に配列している複数の電池ユニット３を直列に接続し、あるいは並列と直列に接続している。電池集合体１０は、両端の出力電圧が所望の電圧となるように、配列される電池ユニット３の個数と接続状態が決定される。バッテリシステム１００は、たとえば、複数の電池ユニット３を直列に接続することで、全体の総出力を大きくし、複数の電池ユニット３を並列に接続することで、出力電流を大きくできる。ここで、本明細書において、複数の電池ユニット３を直列に接続するとは、複数の電池ユニット３を多直列に接続する状態だけでなく、複数の電池ユニット３を多直多並に接続する状態も含むものとする。バッテリシステム１００は、複数の電池ユニット３を多直多並に接続することで充放電の電流を大きくできる。

電池集合体１０は、熱交換プレート４の両面に配置される複数の電池ユニット３の出力端子１３をリード部材１４で接続して、所望の出力が得られるようにしている。複数の電池ユニット３は、正負の出力端子１３がリード部材１４で接続されて、互いに直列に接続される。複数の電池ユニット３を接続するリード部材１３には、リード板やリード線が使用できる。リード線やリード板は表面を絶縁材で被覆することで、絶縁性を向上してショートや漏電等を防止しながら安全かつ確実に接続できる。

図１のバッテリシステム１００は、複数の電池ユニット３を直列に接続している。複数の電池ユニット３は、隣接する電池ユニット３の対向する正負の出力端子１３同士をリード部材１４で連結して直列に接続している。図１に示すバッテリシステム１００は、片面で１２個の電池ユニット３を４行３列に配置すると共に、これ等の電池ユニット３を互いに直列に接続して、熱交換プレート４の両面で２４個の電池ユニット３を直列に接続している。このバッテリシステム１００は、熱交換プレート４の両面に配置された２４個の電池ユニット３を直列に接続して、全体では９６個の電池セル１を２並４８直に接続している。このバッテリシステム１００は、全体の出力を１８０Ｖとしている。ただ、本発明のバッテリシステムは、電池セル１の個数や接続状態を以上の構造に特定しない。バッテリシステムは、図示しないが、熱交換プレートの両面に４８個の電池ユニットを配列すると共に、これらの電池ユニットを直列に接続し、全体では９６個の電池セル１を２並１９２直に接続して、全体の出力を３６０Ｖとすることもできる。

さらに、複数の電池ユニット３が直列に接続された電池集合体１０の出力側には、図１〜図３に示すように、外部への電力供給を制御するための電子部品を収納してなるジャンクションボックス１５を接続している。ジャンクションボックス１５は、電池集合体１０の正負の出力側に接続されたコンタクタ（図示せず）や、一方の出力側に接続されたプリチャージ回路を実現するための電子部品（図示せず）等が収納されている。これらの電子部品を収納してなるジャンクションボックス１５は、外装ケース７に収納されており、互いに接続された複数の電池ユニット３の正負の出力側が接続される一対の入力端子１７と、電池集合体１０の電力を外部に出力するための一対の外部出力端子１８とを備えている。

一対の入力端子１７は、外装ケース７に収納される熱交換プレート４の上方に配置されている。図に示す入力端子１７は、ジャンクションボックス１５の上面に設けられている。ただ、入力端子は、熱交換プレートの上方であって、ジャンクションボックスの側面に配置することもできる。このように、入力端子１７を熱交換プレート４よりも上方に配置する構造は、熱交換液の液漏れや熱交換プレート４の表面への結露が生じた場合においても、漏れ液や結露水に起因するジャンクションボックス１５の入力端子１７部分におけるショートや漏電等の弊害を確実に防止できる。

一対の外部出力端子１８は、ジャンクションボックス１５の側面から外側に突出して設けられている。これらの外部出力端子１８は、図１に示すように、外装ケース７の側面を貫通して、外装ケース７の外部に表出する状態で配置されている。ただ、一対の外部出力端子は、ジャンクションボックスの上面に設けて、外装ケースの上面を貫通して外部に表出させることもできる。

以上の電池集合体１０は、熱交換プレート４に電池ユニット３の主面３Ｘを熱結合状態として外装ケース７内に配置している。外装ケース７内に配置される熱交換プレート４は、図１、図２、及び図４に示すように、循環路６である配管３３を介して熱交換機構５に連結される。配管部３３は、たとえば、金属パイプである。ただ、配管部は、必ずしも金属パイプとする必要はなく、ゴム状弾性体のホース等、熱交換液を循環できる全てのものが使用できる。したがって、この明細書において「配管」はホースを含む広い意味に使用する。

（熱交換機構５）
熱交換機構５は、循環路６となる配管３３を介して熱交換プレート４に熱交換液を循環して冷却または加温する。図２に示す熱交換機構５は、熱交換液を冷却する冷却器３４を備えており、この冷却器３４で冷却された熱交換液を熱交換プレート４に循環させて電池セル１を冷却する。この熱交換機構５は、熱交換プレート４に、冷却された熱交換液を循環させることで、使用状態で発熱する電池セル１を効果的に冷却して電池セル１を保護できる。

また、図２に示す熱交換機構５は、熱交換液を加温する加温器３５も備えており、この加温器３５で加温された熱交換液を熱交換プレート４に循環させて電池セル１を加温するようにしている。バッテリシステム１００は、寒冷地や冬期に使用する際、とくに、使用開始時に電池セル１の温度が低温になることがある。このような場合に、この熱交換機構５は、加温器３５で加温された熱交換液を熱交換プレート４に循環させることで、電池セル１の温度を設定範囲に上昇させて電池セルの性能が低下するのを有効に防止できる。図に示す加温器３５はヒーターである。ヒーターである加温器３５は、熱交換液の循環路に電熱線を配置すると共に、電熱線に接続された電源４１からの通電をスイッチ４２で制御している。この加温器３５は、制御回路３８がスイッチ４２をオンにする状態で、ヒーターが配置された循環路を通過する熱交換液を加温する。

以上の熱交換機構５は、熱交換プレート４に熱交換液を循環する循環ポンプ３７と、電池ユニット３の電池温度を検出して循環ポンプ３７の運転をコントロールする制御回路３８とを備える。この熱交換機構５は、制御回路３８が温度センサ３９で電池温度を検出して循環ポンプ３７の運転を制御して、熱交換プレート４の冷却状態をコントロールする。電池温度が第１の設定温度よりも高くなると、制御回路３８は循環ポンプ３７を運転する。循環ポンプ３７が運転されると、冷却器３４を通過して冷却された熱交換液が熱交換プレート４に循環されてこれを冷却する。電池温度が第１の設定温度よりも低くなると、制御回路３８は循環ポンプ３７の運転を停止する。この状態で熱交換液は熱交換プレート４に循環されず、熱交換プレート４は強制的に冷却されない状態となる。制御回路３８は、循環ポンプ３７を運転する第１の設定温度を記憶しており、この第１の設定温度で循環ポンプ３７の運転をコントロールして、電池温度を設定範囲に制御する。

さらに、熱交換機構５は、電池ユニット３の電池温度が第１の設定温度よりも低い第２の設定温度よりも低くなると、電池温度が低温になっていると判定して、加温器３５で加温された熱交換液を熱交換プレート４に循環させて電池セル１を加温する。この熱交換機構５は、温度センサ３９で検出する電池温度が第２の設定温度よりも低くなると、制御回路３８が循環ポンプ３７を運転すると共に、切換弁３６を切り換えて、熱交換液を加温器３５側に循環させる。さらに、制御回路３８は、スイッチ４２をオンに切り換えて加温器３５で熱交換液を加温する。この状態で、加温器３５を通過して加温された熱交換液が熱交換プレート４に循環されてこれを加温する。電池温度が第２の設定温度よりも高くなると、制御回路３８は循環ポンプ３７の運転を停止すると共に、加温器３５のスイッチ４２をオフに切り換える。さらに、制御回路３８は、切換弁３６を冷却器３４側に切り換える。ここで、切換弁３６は、通常時には冷却器３４側に循環させる状態に保持される。加温器３５を使用する状態に比較して冷却器を使用する時間の方が圧倒的に短いからである。

（外装ケース７）
外装ケース７は、図１及び図２に示すように、複数の電池ユニット３が熱結合状態で配置された熱交換プレート４を略水平姿勢で収納している。図１に示す外装ケース７は、上方開口で箱形の本体ケース２０と、この本体ケース２０の上端開口部を密閉状態で閉塞する蓋部２１とを備えている。外装ケース７は、本体ケース２０の上端開口部を蓋体２１で閉塞して、内部に電池集合体１０の収納スペースを形成している。図の外装ケース７は、熱交換プレート４の両面に複数の電池ユニット３を配置してなる電池集合体１０を収納できる深さに形成されている。

外装ケース７は、優れた強度と耐久性を有する樹脂製または金属製とすることができる。外装ケースを構成する樹脂材料には、例えば、ＡＢＳやＰＢＴ等が使用できる。また、外装ケースを構成する金属には、アルミニウムやアルミニウム合金を使用して軽量にできる。外装ケース７は、全体の高さを２０ｃｍ以下、好ましくは１５ｃｍ以下、さらに好ましくは１２ｃｍ以下となるように形成される。全体の高さを低く形成される外装ケース７は、バッテリシステム１００の設置場所の制約を低減できる。

図１に示す外装ケース７は、底板２２と周壁２３とからなる容器状の本体ケース２０の上端開口部を蓋部２１で閉塞して、内部を閉塞された空間としている。図の本体ケース２０は、周壁２３の上端縁を外側方向に突出させる鍔部２４を設けている。外装ケース７は、この鍔部２４に蓋体２１の外周縁部を積層して固定している。外装ケース７は、好ましくは密閉構造として、内部に外気を換気させない構造とする。この外装ケース７は、本体ケース２０の鍔部２４と蓋体２１の外周縁部との積層部分にパッキン（図示せず）を挟着して、密閉状態で閉塞している。この外装ケース７は、外気が侵入するのを防止できるので、熱交換プレート４の表面に結露するのを有効に防止できる。このため、熱交換プレート４の表面における結露水を少なくし、あるいはほとんど皆無にできる。

さらに、外装ケース７は、熱交換プレート４に循環する熱交換液が内部に漏れても、これを外部に漏らさない水密構造に密閉している。この外装ケース７は、漏れた熱交換液を外部に漏らさない構造にできるので、車両の室内に配置できる。また、外部から水が浸入しないので、車両の外部に配置することもできる。

さらに、外装ケース７は、内部に収納される電池集合体１０を定位置に配置できるようにしている。外装ケース７は、内面に成形された位置決め部材（図示せず）を介して、電池集合体１０を外装ケース７の内部の定位置に配置する。外装ケース７は、電池集合体１０の熱交換プレート４を定位置に固定することで、熱交換プレート４の表面に配置された複数の電池ユニット３を定位置に配置する。

（クッション材８）
さらに、外装ケース７に収納される電池集合体１０は、熱交換プレート４の表面に固定される電池ユニット３は、図１と図５に示すように、熱交換プレート４に接触する面と反対側の面をクッション材８で押圧することで、より主面３Ｘが熱交換プレート４に密着する状態に保持できる。このようなクッション材８として、ゴム状弾性体が使用できる。ゴム状弾性体からなるクッション材８は、弾性変形する状態で電池ユニット３を熱交換プレート４に向かって押圧すると共に、弾性的な押圧力で電池ユニット３を熱交換プレート４に向かって押圧して定位置に固定する。

以上のバッテリシステムは、ハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載されて走行モータに電力を供給する電源、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの発電電力を蓄電する電源、あるいは深夜電力を蓄電する電源など、種々の用途に使用され、とくに大電力、大電流の用途に好適な電源として使用される。バッテリシステムを搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、あるいはモータのみで走行する電気自動車などの電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。

さらに、ハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載されるバッテリシステム１００は、図１０に示すように、車両本体９１の底部に配置することができる。車両本体９１の底部に配置されるバッテリシステム１００は、たとえば、車両本体９１の底面に沿って配置される。この構造は、水平方向に広がる縦横の外形が大きな形状の外装ケース７であっても、車両本体９１の底部の狭い空間を有効に利用しながら、バッテリシステム１００を省スペースに配置できる。とくに、全体の厚さを１５ｃｍ以下とする外装ケース７を車両本体９１の底部に配置するので、車両の内部空間を狭くすることなく、車両本体の内装に悪影響を与えることなく、利想定に装備できる。

（ハイブリッド自動車用バッテリシステム）
図１１は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステム１００を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、バッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４と、エンジン９６、モータ９３、バッテリシステム１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９１と、エンジン９６又はモータ９３で駆動されて車両本体９１を走行させる車輪９７とを備えている。バッテリシステム１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、バッテリシステム１００の電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両ＨＶを走行させる。モータ９３は、バッテリシステム１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム１００の電池を充電する。

（電気自動車用バッテリシステム）
また、図１２は、モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステム１００を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、このバッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４と、モータ９３、バッテリシステム１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９１と、モータ９３で駆動されて車両本体９１を走行させる車輪９７とを備えている。バッテリシステム１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。モータ９３は、バッテリシステム１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム１００の電池を充電する。

本発明のバッテリシステムは、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車等の電動車両を駆動するモータの電源とし、特に設置場所への制限を低減して、全体の高さを低くすることが要求される電動車両用のバッテリシステムとして好適に利用できる。

１００…バッテリシステム
１…電池セル
１Ａ、１Ｂ…ラミネート電池
１Ｃ…円筒型電池
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…カバーケース
２ａ…開口部
２ｂ…底板
２ｃ…凹部
２ｄ…フランジ部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ…電池ユニット
３Ｘ…主面
４…熱交換プレート
５…熱交換機構
６…循環路
７…外装ケース
８…クッション部材
９…断熱シート
１０…電池集合体
１１…外装フィルム
１１ａ…積層接着部
１２…出力タブ
１３…出力端子
１４…リード部材
１５…ジャンクションボックス
１６…絶縁シート
１７…入力端子
１８…外部出力端子
２０…本体ケース
２１…蓋部
２２…底板
２３…周壁
２４…鍔部
３０…プレート部
３１…熱交換パイプ
３２…連結端部
３３…配管
３４…冷却器
３５…加温器
３６…切換弁
３７…循環ポンプ
３８…制御回路
３９…温度センサ
４１…電源
４２…スイッチ
９１…車両本体
９３…モータ
９４…発電機
９５…ＤＣ／ＡＣインバータ
９６…エンジン
９７…車輪
ＨＶ…車両
ＥＶ…車両

Claims (13)

1. 厚さよりも幅が広く形成されたカバーケースに、充放電できる複数の電池セルを収納してなる複数の電池ユニットと、
   前記複数の電池ユニットが表面に配置されると共に、内部に熱交換液が循環されて前記電池セルを冷却又は加温する熱交換プレートと、
   前記
   熱交換プレートに循環路を介して連結されて、該熱交換プレートに、冷却又は加温された熱交換液を循環させる熱交換機構と
   を備えており、
   前記熱交換プレートを略水平姿勢で配置すると共に、前記電池ユニットの側面のうち、最大面である主面を該熱交換プレートの表面に対向して配置して、前記主面を該熱交換プレートの表面に面接触状態で熱結合させてなることを特徴とするバッテリシステム。
2. 請求項１に記載されるバッテリシステムであって、
   前記複数の電池ユニットが、前記熱交換プレートの両面に対向して配置されてなることを特徴とするバッテリシステム。
3. 請求項１または２に記載されるバッテリシステムであって、
   前記カバーケースが金属製で、有底の筒状または両端開口の筒状であることを特徴とするバッテリシステム。
4. 請求項３に記載されるバッテリシステムであって、
   前記電池セルがラミネート電池で、複数の前記ラミネート電池を厚さ方向に積層して前記カバーケースに収納してなることを特徴とするバッテリシステム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、
   前記熱交換プレートは、熱交換液を循環させる熱交換パイプを内部に備え、前記熱交換パイプを前記循環路を介して前記熱交換機構に連結しており、
   前記熱交換プレートは、前記熱交換パイプの両端部を連結端部として該熱交換プレートから外部に引き出すと共に、前記連結端部の先端部を下方に折曲又は湾曲して前記循環路に連結してなることを特徴とするバッテリシステム。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、さらに、
   前記複数の電池ユニットと前記熱交換プレートとを収納する外装ケースを備えており、
   前記外装ケースは、前記熱交換プレートを水平姿勢で収納する上方開口の本体ケースと、前記本体ケースの開口部を閉塞する蓋体とを備えており、前記本体ケースと前記蓋体とを水密に閉塞してなることを特徴とするバッテリシステム。
7. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、さらに、
   前記複数の電池ユニットと前記熱交換プレートとを収納する外装ケースを備えており、
   前記外装ケースの内面にクッション材を積層し、前記クッション材を介して前記電池ユニットを前記熱交換プレートに押圧してなることを特徴とするバッテリシステム。
8. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、さらに、
   前記複数の電池ユニットと前記熱交換プレートとを収納する外装ケースを備えており、
   前記複数の電池ユニットをリード部材を介して並列又は／及び直列に接続すると共に、互いに接続された該複数の電池ユニットの出力を外部に出力するためのジャンクションボックスを前記外装ケースに収納しており、
   前記ジャンクションボックスは、互いに接続された前記複数の電池ユニットの出力側が接続される入力端子を前記熱交換プレートよりも上方に配置してなることを特徴とするバッテリシステム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、
   前記熱交換機構が熱交換液を冷却する冷却器を備え、前記熱交換プレートに、冷却された熱交換液を循環させて前記複数の電池セルを冷却することを特徴とするバッテリシステム。
10. 請求項９に記載されるバッテリシステムであって、
    前記電池ユニットが外部接続するための出力端子を備えており、前記複数の電池ユニットをリード部材を介して互いに接続すると共に、前記熱交換プレートの表面であって前記出力端子と対向する位置に断熱シートを配設してなることを特徴とするバッテリシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載されるバッテリシステムであって、
    前記熱交換機構が熱交換液を加温する加温器を備え、前記熱交換プレートに、加温された熱交換液を循環させて前記複数の電池セルを加温することを特徴とするバッテリシステム。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一に記載されるバッテリシステムを備える電動車両であって、
    前記バッテリシステムが車両を走行させるモータに電力を供給するようにしてなる電動車両。
13. 請求項１２に記載される電動車両であって、
    前記バッテリシステムが車両本体の底部に配置されてなる電動車両。

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