JP2021009786A - 電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置、電池セルユニット、電源装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電池セルは、充放電によって発熱する。近年の電池セルの高容量化の要求に伴い、セルあたりの発熱量も増す傾向にある。加えて、電源装置の高出力化、高容量化のため、電池セルの積層数も増えており、電池セルが発熱しても他の電池セルに影響を与えないよう、セパレータの断熱性能も高性能化が求められている。
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
本発明の実施形態1に係る電源装置100の斜視図を図1に、垂直断面図を図2に、水平断面図を図3にそれぞれ示す。これらの図に示す電源装置100は、外装缶11を角形とし、対向する主面1Aを有する複数の電池セル1と、電池セル1の少なくとも一方の主面1Aと当接するように積層されるセパレータ2と、セパレータ2が積層された電池セル1の主面1Aを被覆する熱収縮性フィルム5と、熱収縮性フィルム5で被覆された複数の電池セル1を、隣接する電池セル1同士の間にセパレータ2が介在されるように積層してなる電池積層体10の両端面に配置された一対のエンドプレート3と、電池積層体10の対向する側面にそれぞれ配置されて、エンドプレート3同士を締結する複数のバインドバー4とを備えている。
電池セル1は、図4〜図6に示すように、幅広面である主面1Aの外形を四角形とする角形電池であって、幅よりも厚さを薄くしている。電池セル1は、リチウムイオン二次電池などの非水系電解液二次電池である。電池セル1をリチウムイオン二次電池とする電源装置100は、容積と重量に対する充放電容量を大きくできる。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、充電できる全ての電池、たとえばニッケル水素電池なども使用できる。
以上の電池セル1は、図4及び図5に示すように、少なくとも一方の主面1Aと当接するようにセパレータ2が積層されると共に、セパレータ2を積層した状態で端子面1Xを除く外周面が熱収縮性フィルム5により被覆される。電池セル1は、セパレータ2の外周縁が主面1Aの外周縁に合わされて位置決めされることで、セパレータ2が主面1Aの定位置に積層される。電池セル1の主面1Aに積層されるセパレータ2は、接着剤等で接着されることなく、非接着状態で外装缶11の主面1Aに配置される。セパレータ2が積層された電池セル1は、周囲が熱収縮性フィルム5で覆われると共に、熱収縮性フィルム5が加熱処理されて熱収縮することで、セパレータ2が表面に密着された状態で固定される。電池セル1は、上面である端子面1Xを除く外周面が、熱収縮された熱収縮性フィルム5で被覆されて、セパレータ2が主面1Aの定位置に固定された電池セルユニット9が形成される。
セパレータ2は、電池セル1の主面1Aに当接する状態で配置されており、図1〜図3に示すように、複数の電池セル1が互いに積層されて電池積層体10を構成する状態では、隣接する電池セル1同士の間に介在されて、隣接する電池セル1を絶縁し、さらに電池セル1間における熱伝導を遮断する。
熱収縮性フィルム5は、図4〜図6に示すように電池セル1の上面である端子面1Xを除く面を被覆して絶縁する。具体的には、電池セル1の上面を除く面であって、好ましくは、主面1Aと側面1Bと底面1Cの全面を被覆する。ただし、熱収縮性フィルムは、底面の全面と、主面及び側面の上部を除く部分を被覆することもできる。上面は、電極端子13を電気接続のために表出させる必要があることから熱収縮性フィルム5で被覆しない。
以上のようにして、熱収縮された熱収縮性フィルム5で被覆された複数の電池セル1を、隣接する電池セル1同士の間にセパレータ2が介在されるように積層して電池積層体10を形成する。すなわち、複数の電池セルユニット9を、隣接する電池セルユニット9同士の間にセパレータ2が配置されるように互いに積層して、電池積層体10を形成する。電池積層体10は、正負の電極端子13を設けている端子面1X、図1においては封口板12が同一平面となるように、複数の電池セル1を積層している。電池積層体10は、隣接する電池セル1の正負の電極端子13に金属製のバスバー(図示せず)が接続されて、バスバーでもって複数の電池セル1を直列又は並列に、あるいは直列と並列に接続される。直列に接続される電池セルは、外装缶に電位差が発生するので、間に介在されるセパレータで絶縁する。並列に接続される電池セルは、外装缶に電位差は発生しないが、熱暴走の誘発を防止するために、間に介在されるセパレータで断熱する。図に示す電池積層体10は、12個の電池セル1を直列に接続している。ただ、本発明は、電池積層体10を構成する電池セル1の個数とその接続状態を特定しない。
エンドプレート3は、図1〜図3に示すように、電池積層体10の両端に配置されて、電池積層体10を両端から挟着している。エンドプレート3は、電池セル1の外形とほぼ等しい形状と寸法の四角形で、全体を金属で製作している。金属製のエンドプレート3は、優れた強度と耐久性を実現できる。電池積層体10の両端に配置される一対のエンドプレート3は、電池積層体10の両側面に沿って配置される複数のバインドバー4を介して締結される。
バインドバー4は、電池積層体10の対向する両側面に配置されて、電池積層体10の両端面に配置された一対のエンドプレート3を締結している。バインドバー4は、図1と図2に示すように、電池積層体10の積層方向に延長されており、一対のエンドプレート3を所定の寸法に固定して、その間に積層される電池セル1を所定の加圧状態に固定している。バインドバー4は、電池積層体10の側面に沿う所定の幅と所定の厚さを有する金属板である。バインドバー4は、強い引張力に耐える金属板が使用される。図のバインドバー4は、電池積層体10の側面を被覆する上下幅の金属板としている。金属板からなるバインドバー4は、プレス成形等により折曲加工されて所定の形状に形成される。図に示すバインドバー4は、上下の端縁部を折曲加工して、折曲部4aを形成している。上下の折曲部4aは、電池積層体10の左右の両側面において、電池積層体10の上下面を隅部から覆う形状としている。図に示すバインドバー4は、複数の固定ピン6を介してエンドプレート3の両側面に固定している。
1.位置決め工程
図10(A)に示すように、セパレータ2の外周縁を電池セル1の主面1Aの外周縁に合わせて位置決めしながら、セパレータ2を電池セル1の主面1Aに積層する。セパレータは、両側縁を電池セルの主面の両側縁に合わせて位置決めし、あるいは、下端縁を電池セルの主面の下端縁に合わせて位置決めし、あるいはまた、両側縁と下端縁の両方を電池セルの主面の両側縁と下端縁に合わせて位置決めされる。さらに、セパレータは、接着されることなく電池セルの主面に重なられて定位置に位置決めされる。
2.被覆工程
図10(B)及び(C)で示すように、セパレータ2が積層された電池セル1の周囲を、熱収縮性フィルム5で覆う。図では、セパレータ2が積層された電池セル1を、袋状に形成された熱収縮袋に挿入して周囲を熱収縮性フィルム5で覆っている。ただ、熱収縮性フィルムは、袋状に形成することなく1枚のシート状として、セパレータが積層された電池セルの外形に沿うように折り畳んで電池セルとセパレータとを覆うこともできる。
3.熱収縮工程
図10(D)で示すように、電池セル1とセパレータ2とを覆う熱収縮性フィルム5を加熱処理して熱収縮性フィルム5を熱収縮させる。熱収縮する熱収縮フィルムによって、セパレータ2が電池セル1の表面に密着状態に固定されて定位置に固定される。
4.電池セル積層工程
熱収縮性フィルム5で被覆された電池セル1(電池セルユニット9)を厚さ方向に積層して電池積層体10とする。
5.締結工程
電池積層体10の両端面を一対のエンドプレート3で覆い、エンドプレート3同士をバインドバー4で締結する。
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電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両本体91と、この車両本体91を走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、これらのエンジン96及び走行用のモータ93で駆動される車輪97と、モータ93に電力を供給する電源装置100と、電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置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、電源装置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を走行させる。モータ93は、電源装置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、電源装置100の電池を充電する。なお、車両HVは、図11に示すように、電源装置100を充電するための充電プラグ98を備えてもよい。この充電プラグ98を外部電源と接続することで、電源装置100を充電できる。
また、図12は、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両EVは、車両本体91と、この車両本体91を走行させる走行用のモータ93と、このモータ93で駆動される車輪97と、このモータ93に電力を供給する電源装置100と、この電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置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、電源装置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、電源装置100の電池を充電する。また車両EVは充電プラグ98を備えており、この充電プラグ98を外部電源と接続して電源装置100を充電できる。
さらに、本発明は、電源装置の用途を、車両を走行させるモータの電源には特定しない。実施形態に係る電源装置は、太陽光発電や風力発電等で発電された電力で電池を充電して蓄電する蓄電装置の電源として使用することもできる。図13は、電源装置100の電池を太陽電池82で充電して蓄電する蓄電装置を示す。
1X…端子面
1…電池セル
1A…主面
1B…側面
1C…底面
1a…非接触領域
2…セパレータ
2A…ハイブリッド素材
2r…面取り部
3…エンドプレート
4…バインドバー
4a…折曲部
5…熱収縮性フィルム
5A…熱収縮袋
6…固定ピン
9…電池セルユニット
10…電池積層体
11…外装缶
12…封口板
13…電極端子
14…安全弁
15…開口部
81…建物
82…太陽電池
83…充電回路
84…充電スイッチ
85…DC/ACインバータ
86…負荷
87…放電スイッチ
88…電源コントローラ
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
98…充電プラグ
HV、EV…車両
200…蓄電素子
210…素子容器
240…シート部材
250…スペーサ
250a、250b…スペーサ端部
260…スペーサ
260a、260b…スペーサ端部
Claims (14)
- 外装缶を角形とし、対向する主面を有する複数の電池セルと、
前記電池セルの少なくとも一方の主面と当接するように積層されたセパレータと、
前記セパレータが積層された前記電池セルの主面を被覆する熱収縮性フィルムと、
前記熱収縮性フィルムで被覆された複数の前記電池セルを、隣接する該電池セル同士の間に前記セパレータが介在されるように積層してなる電池積層体の両端面に配置された一対のエンドプレートと、
前記電池積層体の対向する側面にそれぞれ配置されて、前記エンドプレート同士を締結する複数のバインドバーと、
を備える電源装置であって、
前記セパレータが、非接着状態で前記電池セルの前記主面に積層されると共に、該セパレータの外周縁が該主面の外周縁に合わされて位置決めされ、さらに、熱収縮された前記熱収縮性フィルムで被覆されて該電池セルの定位置に固定されてなる電源装置。 - 請求項1に記載される電源装置であって、
前記セパレータは、前記電池セルの主面の外形に沿う四角形状であって、前記主面の横幅と等しい横幅を有しており、
前記セパレータの両側縁が前記主面の両側縁に一致されて、該主面の定位置に位置決めされてなる電源装置。 - 請求項1または2に記載される電源装置であって、
前記セパレータは、前記電池セルの主面の外形に沿う四角形状であって、
前記セパレータの下端縁が前記主面の下側縁に一致されて、該主面の定位置に位置決めされてなる電源装置。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載される電源装置であって、
前記熱収縮性フィルムが、前記セパレータが積層された前記電池セルの主面、側面及び底面の全体を被覆してなる電源装置。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載される電源装置であって、
前記セパレータが、前記電池セルの一方の主面に配置されてなる電源装置。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載される電源装置であって、
前記セパレータが、前記電池セルの両方の主面に配置されてなる電源装置。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載される電源装置であって、
前記熱収縮性フィルムが、前記電池セルの外形に沿う袋状に形成してなる熱収縮袋である電源装置。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載される電源装置であって、
前記セパレータの端面が、断面視において面取りされてなる電源装置。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載される電源装置であって、
前記セパレータが、
無機粉末と繊維強化材とのハイブリッド素材であることを特徴とする電源装置。 - 請求項9に記載される電源装置であって、
前記無機粉末がシリカエアロゲルであることを特徴とする電源装置。 - 請求項1ないし10のいずれかに記載の電源装置を備える電動車両であって、
前記電源装置と、
該電源装置から電力供給される走行用のモータと、
前記電源装置及び前記モータを搭載してなる車両本体と、
前記モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪と
を備えることを特徴とする電動車両。 - 請求項1ないし10のいずれかに記載の電源装置を備える蓄電装置であって、
前記電源装置と、
該電源装置への充放電を制御する電源コントローラと
を備え、
前記電源コントローラでもって、外部からの電力により前記電池セルへの充電を可能とすると共に、該電池セルに対し充電を行うよう制御することを特徴とする蓄電装置。 - 外装缶を角形とし、対向する主面を有する電池セルと、
前記電池セルの少なくとも一方の主面と当接するように積層されたセパレータと、
前記セパレータが積層された前記電池セルを被覆する熱収縮性フィルムと
を備え、
前記セパレータが、非接着状態で前記電池セルの前記主面に積層されると共に、該セパレータの外周縁が該主面の外周縁に合わされて位置決めされ、さらに、熱収縮された前記熱収縮性フィルムで被覆されて該電池セルの定位置に固定されてなる電池セルユニット。 - 外装缶を角形とし、対向する主面を有する複数の電池セルと、
前記電池セルの少なくとも一方の主面と当接するように積層されたセパレータと、
前記セパレータが積層された前記電池セルを被覆する熱収縮性フィルムと、
前記熱収縮性フィルムで被覆された複数の前記電池セルを、隣接する該電池セル同士の間に前記セパレータが介在されるように積層してなる電池積層体の両端面に配置してなる一対のエンドプレートと、
前記電池積層体の対向する側面にそれぞれ配置されて、前記エンドプレート同士を締結する複数のバインドバーと、
を備える電源装置の製造方法であって、
前記セパレータの外周縁を前記電池セルの主面の外周縁に合わせて位置決めしながら、該セパレータを該電池セルの主面に積層する工程と、
前記セパレータが積層された前記電池セルの周囲を、前記熱収縮性フィルムで覆う工程と、
前記電池セルと前記セパレータとを覆う熱収縮性フィルムを加熱して前記熱収縮性フィルムを熱収縮させて、前記セパレータを前記電池セルの表面に密着させて定位置に固定する工程と、
前記熱収縮性フィルムで被覆された前記電池セルを厚さ方向に積層して前記電池積層体とする工程と、
前記電池積層体の両端面を一対の前記エンドプレートで覆い、該エンドプレート同士を前記バインドバーで締結する工程と
を含むことを特徴とする電源装置の製造方法。
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